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GaN，商用大跨步

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GaN，商用大跨步

GaN的高成本以及將這種半導體材料融入傳統電子產品所需的專業化限制了其在商業應用中的使用 。
先進的半導體材料GaN很可能成為下一代高速通信系統和最先進數據中心所需的電力電子設備的關鍵 。
不幸的是 ， GaN的高成本以及將這種半導體材料融入傳統電子產品所需的專業化限制了其在商業應用中的使用 。
現在 ， 麻省理工學院和其他地方的研究人員開發出一種新的制造方法 ， 將高性能 GaN 晶體管以低成本、可擴展的方式集成到標準硅 CMOS 芯片上 ， 并與現有的半導體代工廠兼容 。
他們的方法包括在 GaN 芯片表面構建許多微型晶體管 ， 切割出每個單獨的晶體管 ， 然后使用低溫工藝將所需數量的晶體管粘合到硅芯片上 ， 以保留兩種材料的功能 。
由于只需在芯片中添加少量GaN材料 ， 因此成本保持極低 ， 但最終器件卻能通過緊湊、高速的晶體管獲得顯著的性能提升 。 此外 ， 通過將GaN電路分離成可分布在硅芯片上的分立晶體管 ， 這項新技術能夠降低整個系統的溫度 。
研究人員利用這一工藝制造了功率放大器 ， 這是手機中必不可少的組件 ， 與采用硅晶體管的設備相比 ， 它能夠實現更高的信號強度和效率 。 在智能手機中 ， 這可以改善通話質量、提升無線帶寬、增強連接性并延長電池壽命 。
由于他們的方法符合標準流程 ， 因此可以改進現有的電子設備以及未來的技術 。 未來 ， 這種新的集成方案甚至可以實現量子應用 ， 因為在許多類型的量子計算所必需的低溫條件下 ， GaN的性能優于硅 。
“如果我們能夠降低成本 ， 提高可擴展性 ， 同時提升電子設備的性能 ， 那么采用這項技術是理所當然的 。 我們將硅材料中現有的最佳特性與最優秀的GaN電子元件完美結合 。 這些混合芯片可以徹底改變許多商業市場 ， ”麻省理工學院研究生、該方法論文的主要作者 Pradyot Yadav 說道 。
與他一起撰寫該論文的還有麻省理工學院研究生王金辰和帕特里克·達馬維-伊斯坎達爾、麻省理工學院博士后約翰·尼魯拉、資深作者、微系統技術實驗室 (MTL) 訪問科學家烏爾里希·L·羅德 (Ulriche L. Rodhe) 和電氣工程與計算機科學系 (EECS) 副教授兼 MTL 成員韓若楠、EECS 克拉倫斯·J·勒貝爾教授兼 MTL 主任托馬斯·帕拉西奧斯 (Tomás Palacios) ， 以及佐治亞理工學院和空軍研究實驗室的合作者 。 這項研究最近在 IEEE 射頻集成電路研討會上進行了展示 。
交換晶體管GaN是世界上使用最廣泛的半導體 ， 僅次于硅 ， 其獨特的特性使其成為照明、雷達系統和電力電子等應用的理想選擇 。
這種材料已經存在了幾十年 ， 為了發揮其最大性能 ， 將GaN芯片連接到硅數字芯片（也稱為CMOS芯片）至關重要 。 為了實現這一點 ， 一些集成方法通過焊接將GaN晶體管連接到CMOS芯片上 ， 但這限制了GaN晶體管的尺寸 。 晶體管越小 ， 它們的工作頻率就越高 。
其他方法將整個GaN晶片集成到硅晶片上 ， 但使用如此多的材料成本極高 ， 尤其是因為GaN僅用于幾個微型晶體管 。 GaN晶片中的其余材料則被浪費了 。
“我們希望將GaN的功能與硅基數字芯片的強大性能相結合 ， 同時又不犧牲帶寬成本 。 我們通過在硅芯片上直接添加超微型分立GaN晶體管來實現這一點 。 ”Yadav解釋道 。
新芯片是經過多步加工制成的 。
首先 ， 在GaN晶圓的整個表面上制造出緊密排列的微型晶體管 。 他們使用非常精細的激光技術 ， 將每個晶體管切割成晶體管的尺寸 ， 即240 x 410微米 ， 形成所謂的“小芯片”（dielet） 。 （一微米等于百萬分之一米 。 ）
每個晶體管的頂部都布滿了微小的銅柱 ， 它們被用來直接鍵合到標準硅CMOS芯片表面的銅柱上 。 銅與銅的鍵合可以在低于400攝氏度的溫度下進行 ， 這個溫度足夠低 ， 不會損壞任何一種材料 。
目前的GaN集成技術需要使用金來進行鍵合 ， 而金是一種昂貴的材料 ， 需要比銅更高的溫度和更強的鍵合力 。 由于金會污染大多數半導體代工廠使用的工具 ， 因此通常需要專門的設備 。
“我們想要一種低成本、低溫、低應力的工藝 ， 而銅在所有與金相關的性能上都勝出 。 同時 ， 它的導電性也更好 。 ”Yadav說道 。
為了實現這一集成過程 ， 他們開發了一種專門的新工具 ， 可以將極其微小的GaN晶體管與硅芯片精心集成 。 該工具利用真空吸附小芯片 ， 使其在硅芯片頂部移動 ， 并以納米級精度對準銅鍵合界面 。
他們使用先進的顯微鏡來監測界面 ， 然后當小芯片處于正確位置時 ， 他們施加熱量和壓力將 GaN 晶體管粘合到芯片上 。
“在這個過程中 ， 每一步我都必須找到一位懂得我所需技術的新合作伙伴 ， 向他們學習 ， 然后將其融入我的平臺 。 我花了兩年時間不斷學習 ， ”Yadav說道 。
研究人員完善了制造工藝后 ， 他們通過開發功率放大器（一種增強無線信號的射頻電路）來證明這一點 。
與傳統硅晶體管制成的器件相比 ， 他們的器件實現了更高的帶寬和更好的增益 。 每個緊湊芯片的面積不到半平方毫米 。
此外 ， 由于他們在演示中使用的硅芯片基于英特爾 16 22 納米 FinFET 先進金屬化工藝和無源選項 ， 因此他們能夠集成硅電路中常用的元件 ， 例如中和電容器 。 這顯著提高了放大器的增益 ， 使其距離實現下一代無線技術更近了一步 。
IBM 研究科學家 Atom Watanabe表示：“為了應對摩爾定律在晶體管微縮方面放緩的趨勢 ， 異質集成已成為一種極具前景的解決方案 ， 可實現持續的系統微縮、減小尺寸、提高功率效率并優化成本 。 尤其是在無線技術領域 ， 化合物半導體與硅基晶圓的緊密集成對于實現下一代天線到人工智能 (AI) 平臺的前端集成電路、基帶處理器、加速器和存儲器的統一系統至關重要 。 這項工作通過展示多個 GaN 芯片與硅 CMOS 的 3D 集成 ， 取得了重大進展 ， 并突破了當前技術能力的界限 。 ”
這項工作得到了美國國防部國防科學與工程研究生（NDSEG）獎學金項目和CHIMES（JUMP 2.0七個中心之一）的部分支持 。 JUMP 2.0是由美國國防部和國防高級研究計劃局（DARPA）共同發起的半導體研究公司項目 。 制造過程使用了麻省理工學院納米中心（MIT.Nano）、空軍研究實驗室和佐治亞理工學院的設備 。
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