全球最薄！英特尔氮化镓芯粒厚度仅19微米

英特尔代工服务研究团队展示了全球首创的氮化镓（GaN）小芯片技术，该技术基于 300mm 硅基氮化镓晶圆实现，标志着半导体设计领域的重大突破，该研究直面现代计算最紧迫的挑战之一：如何在更紧凑的空间内实现更高功率、更快速度与更高效率。

为满足GPU、服务器与无线网络持续增长的性能需求，英特尔代工团队开发出一款超薄氮化镓小芯片，其硅基底厚度仅 19μm，约为人类头发丝直径的五分之一，同时集成了业界首个全单片式片上数字控制电路，整套方案采用单一集成制造工艺完成。

这一创新源于现代电子设备的核心矛盾：既要在更小空间内集成更多功能，又要承受更高功率负载与更快数据传输速率。传统硅基技术已逼近物理极限，行业正转向氮化镓等替代材料弥补这一缺口。英特尔代工将超薄氮化镓小芯片与片上数字控制电路相结合，省去了独立辅助小芯片，降低了组件间信号传输的能耗损耗。全面可靠性测试进一步表明，该平台具备投入实际产品应用的潜力。

该技术为多个行业带来切实的性能提升。在数据中心，氮化镓小芯片开关速度更快，能耗损耗低于硅基方案，可实现体积更小、效率更高的电压调节器，并能更贴近处理器部署，减少长距离供电线路上的阻性损耗。在无线基础设施领域，氮化镓晶体管的高频性能使其成为射频前端的理想选择，适用于 5G、6G 基站等下一代网络设备。氮化镓可在 200GHz 以上频率高效工作，完美适配下一代网络依赖的厘米波与毫米波频段。除通信网络外，这一特性同样适用于雷达系统、卫星通信与光子应用，这些场景均需要高速电开关实现光信号调制。

为何选择氮化镓？

氮化镓是一种化合物半导体，凭借优异物理特性备受关注。可将半导体晶体管视作控制电流的电子阀门或开关。当前绝大多数芯片采用的硅材料性能优良，但存在局限：难以承受高压，且随着开关速度提升，发热与能耗损耗加剧。氮化镓晶体管可承受更高电压，开关速度更快，能耗损耗显著更低，尤其适用于功率转换场景。

英特尔代工采用业界标准 300mm 大尺寸硅晶圆外延生长氮化镓，可复用现有硅制程大部分基础设施，有望大幅降低成本，实现行业所需的大规模量产。

打造全球最薄氮化镓小芯片

半导体晶圆减薄看似简单，但在已完成全部晶体管与金属布线工艺的 300mm 硅基氮化镓晶圆上实现减薄，同时不损伤内部结构，是一项极具难度的工程挑战。英特尔代工团队通过 “隐形切割减薄（SDBG）” 技术攻克这一难题：先用精准控制的激光在晶圆内部形成微裂纹，再通过机械研磨减薄厚度，最终实现硅基底仅 19μm 的氮化镓小芯片。

图 1 为氮化镓小芯片的电子显微镜图像，可见完整堆叠结构下方 19μm 的超薄硅基底；图 1 (d) 为原型样品，氮化镓小芯片翻转键合至基底晶圆，展示了该技术在实际小芯片组装中的应用方式。

为验证减薄未影响性能，团队测试了小芯片上晶体管的电学特性。栅长仅 30nm 的晶体管展现出优异载流能力、低能耗损耗，耐压可达 78V。射频性能同样出色，晶体管截止频率突破 300GHz，完全满足下一代无线通信需求。

相较于传统 CMOS 硅芯片，氮化镓小芯片在硅材料物理极限下具备无可比拟的综合优势。氮化镓拥有更高功率密度，可在更小体积内实现更强系统性能，这对空间受限的应用至关重要，例如数据中心负载点供电、电动汽车（可移动数据中心）与无线基站。硅材料在结温超过 150℃时可靠性下降，限制了其在高温环境中的应用；而氮化镓更宽的禁带宽度使其可在更高温度下稳定工作，降低开关损耗，优化热管理，进而减小散热系统体积与成本。此外，英特尔代工采用标准 300mm 硅晶圆生产氮化镓器件，可兼容现有硅制程，无需大规模新增投资。

硅逻辑电路直接集成于氮化镓小芯片

该研究最具创新性的突破，是在氮化镓小芯片上直接实现功能完整的数字电路。传统电子系统中，控制功率晶体管开关的数字控制逻辑通常由独立硅芯片实现。

在小芯片系统中，独立芯片会占用宝贵空间，且组件间较长电气通路会降低效率。英特尔代工团队提出解决方案：在同一小芯片上集成两类晶体管，擅长高压功率处理的GaN N-MOSHEMT，以及适配低压数字逻辑的Si PMOS。通过 “层转移” 工艺将硅材料转移至氮化镓晶圆，两类晶体管可并排集成并通过同一布线层连接。

图 2 为透射电子显微镜横截面图像，展示了在同一片 300mm 硅基氮化镓晶圆上并排制备的氮化镓功率晶体管与硅逻辑晶体管。

基于该整合工艺，团队成功制备并测试了完整数字电路单元库：反相器、与非门、多路选择器、触发器与环形振荡器。所有电路均正常工作，反相器开关速度仅 33 皮秒，且整片 300mm 晶圆性能一致性优异，证实该工艺具备规模化量产潜力。

可靠性验证：长效稳定运行

新型半导体技术在实验室实现功能仅为第一步，投入实际产品前必须通过严苛可靠性测试，确保在高温、高压、持续电流等实际工况下长期稳定运行。英特尔代工团队对氮化镓晶体管开展四项行业标准可靠性测试：时变介质击穿（TDDB）、正偏压温度不稳定性（pBTI）、高温反偏（HTRB）与热载流子注入（HCI）。测试结果优异，表明 300mm 氮化镓 MOSHEMT 技术可满足可靠性指标要求。

将数字控制电路直接集成于氮化镓功率小芯片，有望实现更高集成度的片上智能小芯片、高速开关与高效功率转换方案。随着半导体行业持续向小芯片架构转型，英特尔代工 300mm 硅基氮化镓平台将成为下一代计算与通信系统的核心支撑，满足性能、效率与密度需求。从超大规模数据中心、下一代无线网络，到国防平台与卫星通信系统，氮化镓的高效特性可显著降低电力成本、散热投入与碳排放，直面众多行业最紧迫的挑战。