大功率电子器件性能提升

构成绝大多数芯片基底的硅材料，在功率承载能力上存在固有局限，这也制约了无线通信系统的运行速度与能效表现。氮化镓是一种高性能新材料，能够满足6G、卫星通信等高端无线应用对速率和能耗的严苛要求。将氮化镓晶体管应用于新一代无线电子设备，成为极具前景的解决方案。

但即便是性能最优的晶体管，大部分电能依旧会转化为热量。当研究人员在硅芯片的极小区域内集成更多氮化镓晶体管时，局部高温区会降低器件可靠性，同时拖累整体性能。

如今，麻省理工学院及其他机构的研究团队通过将氮化镓晶体管嵌入超薄金刚石层，成功突破了这一技术瓶颈。金刚石可作为均热层平衡整体温度，让晶体管在保持高可靠性的前提下趋近性能极限。

研究团队运用该技术研制出一款无线通信功率放大器，其性能超越了现有文献记载的所有同类产品。这套制造工艺对精度要求极高，还需要融合多种材料体系，但完全可以满足商业化量产的规模需求。

麻省理工学院电气工程与计算机科学专业研究生、本项研究论文第一作者Pradyot Yadav表示：“无线设备中没有任何一种材料能做到面面俱到，因此这类三维异构集成系统必将成为主流。目前尚存的核心难题是器件可靠性与热管理，而我们如今或许已经攻克了实现规模化、大批量应用的最后一道关卡。”

多材料融合方案

为研发速度更快、能效更高的电子设备，科研人员正着力研究异构集成系统。这类系统将多种材料堆叠整合为一体，充分发挥各类材料的独有优势。

此前，麻省理工学院的研究团队就曾将氮化镓堆叠在硅片与玻璃基底之上，打造出性能更出色的芯片。但在异构集成芯片中，不同材料的工作温度存在差异，进而会影响电子设备的使用可靠性。

Yadav解释道：“如果引入一种导热材料，让氮化镓与硅材料保持相同温度，整个三维集成芯片的可靠性就能得到提升。而金刚石就是实现这一目标的最优选择。”

研究团队采用人工培育的珠宝级金刚石，这类金刚石也常被用于制作钻戒。金刚石是目前已知导热性能最佳的材料。随着晶体生长技术不断进步，单晶金刚石晶圆的成本大幅下降，让其应用于芯片制造具备了更强的可行性。

以往有研究人员尝试在氮化镓晶体管表层生长超薄单晶金刚石层来解决散热问题。但这种制备工艺不仅难以量产，还会在芯片内部产生寄生电容。寄生电容会储存电路中的电能，分流晶体管的工作电流，最终拖慢器件运行速度。

麻省理工学院的研究团队另辟蹊径，有效削弱了这类寄生电容带来的负面影响。他们将微型氮化镓晶体管（微芯粒）嵌入单晶金刚石制成的超薄中介层（基底）中。金刚石层可高效传导、分散热量，使氮化镓与硅基底维持统一温度，同时规避了寄生电容问题。

Yadav说：“把氮化镓晶体管嵌入金刚石中介层，不仅不会削弱器件性能，反而能实现性能提升，真正做到扬长避短。”

精密制造流程

整套制备流程首先利用飞秒激光从氮化镓晶圆上切割出规格统一的氮化镓微芯粒。随后，研究人员用激光在金刚石基底上精准刻出凹槽，在槽底铺设一层仅20微米厚的芯片粘接膜，再将氮化镓微芯粒放置在薄膜上方。

微芯粒就位后，工作人员施加高温与压力，使其与粘接膜、金刚石基底紧密结合。“界面结合效果至关重要。若导热粘接膜铺设不到位，热量就无法顺畅地从金刚石传导至氮化镓晶体管。因此接触面必须足够平整、洁净。”Yadav说道。

完成上述步骤后，团队继续在氮化镓与金刚石结构上方堆叠多层介质材料与金属材料，搭建出完整电路。

功率放大器是各类无线系统的核心组件之一，研究团队便利用该工艺试制了一款功率放大器。这类器件负责将微弱电信号放大，从而实现远距离信号传输。经测试，这款放大器的输出功率、能效与增益表现，均优于目前已知的所有同类产品，也超过了团队此前研发的相关器件。

“功率放大器是无线设备前端的核心部件，它的性能直接决定整个通信系统的表现。我们研发的这款放大器功率充足，可实现数英里范围的信号传输。”Yadav介绍道。该技术可应用于大功率雷达、太空通信、工业无人机等高要求场景，同时也能为数据中心的电能转换设备解决散热难题，进一步提升能源利用率。

Yadav表示，希望业内同行能基于本次研究成果，开发出结构更复杂的异构集成系统，为下一代电子技术开拓更多可能性。“我刚攻读博士学位时，还不确定这类技术能否落地，当时一切仿佛只存在于科幻设想中。如今我们打造出的多款系统，性能都超越了市面上现有产品。氮化镓与三维异构集成技术，必将成为未来众多应用领域的核心方向。能为此领域贡献一份力量，我倍感荣幸。”