【產(chǎn)通社，7月11日訊】麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員開發(fā)了一種新的制造工藝，以低成本和可擴展的方式將高性能氮化鎵晶體管集成到標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS芯片上。這種低成本、可擴展的技術(shù)能夠?qū)⒏咚俚壘w管無縫集成到標(biāo)準(zhǔn)硅芯片上。

氮化鎵是一種先進的半導(dǎo)體材料，預(yù)計將在下一代高速通信系統(tǒng)和支持現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的電力電子設(shè)備中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，氮化鎵(GaN)的廣泛使用受到其高成本和將其并入標(biāo)準(zhǔn)電子系統(tǒng)所需的專門技術(shù)的限制。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院和合作機構(gòu)的研究人員開發(fā)了一種新的制造工藝，將高性能GaN晶體管集成到標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS芯片上。該方法是低成本、可擴展的，并且與當(dāng)前的半導(dǎo)體制造工藝兼容。

該方法包括在GaN芯片表面制造大量微小的晶體管，將它們單獨切割出來，然后只將所需的晶體管粘合到硅片上。這是通過低溫技術(shù)實現(xiàn)的，該技術(shù)保持了兩種材料的性能。因為每個芯片中只添加了少量的氮化鎵，所以成本很低。同時，該器件得益于緊湊的高速晶體管，性能大幅提升。通過在硅片上分布GaN晶體管，該工藝還有助于降低系統(tǒng)的整體溫度。

使用這種方法，研究人員建立了一個功率放大器，這是手機中的一個關(guān)鍵組件，比傳統(tǒng)的硅基版本提供更強的信號和更高的效率。在智能手機中，這可能會導(dǎo)致更清晰的通話、更快的無線連接、更好的整體連接和更長的電池壽命。因為他們的方法符合標(biāo)準(zhǔn)程序，它可以改善現(xiàn)有的電子設(shè)備以及未來的技術(shù)。隨著時間的推移，新的集成方案甚至可以實現(xiàn)量子應(yīng)用，因為GaN在低溫下的性能優(yōu)于硅，這對許多類型的量子計算來說都是必不可少的。

“如果我們能夠降低成本，提高可擴展性，同時增強電子設(shè)備的性能，我們應(yīng)該采用這項技術(shù)是顯而易見的。我們將硅中最好的東西與最好的氮化鎵電子學(xué)結(jié)合在一起。麻省理工學(xué)院研究生、該方法論文的主要作者Pradyot Yadav說:“這些混合芯片可以徹底改變許多商業(yè)市場。

麻省理工學(xué)院的研究生金晨·王和帕特里克·達爾馬維-伊斯坎達爾與他共同完成了這篇論文；麻省理工博士后約翰·尼魯拉；資深作者微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的訪問科學(xué)家Ulriche L. Rodhe和電氣工程和計算機科學(xué)系副教授和的成員Ruonan HanEECS的Clarence J. LeBel教授和MTL主任Tomás Palacios；以及佐治亞理工學(xué)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發(fā)表。

首先，在GaN晶片的整個表面上制造一組緊密堆積的微小晶體管。使用非常精細的激光技術(shù)，他們將每一個都切割到晶體管的大小，即240×410微米，形成他們所謂的電介質(zhì)。(一微米是一米的百萬分之一。)

每個晶體管的頂部都有微小的銅柱，用來直接連接標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS芯片表面的銅柱。銅與銅的接合可以在低于400攝氏度的溫度下進行，這一溫度足夠低，不會損壞任何一種材料。

目前的GaN集成技術(shù)需要利用金的鍵合，金是一種昂貴的材料，需要比銅高得多的溫度和更強的鍵合力。由于金會污染大多數(shù)半導(dǎo)體代工廠使用的工具，因此通常需要專門的設(shè)備。

“我們想要一種低成本、低溫、低能耗的工藝，銅在所有與黃金相關(guān)的工藝中勝出。同時，它具有更好的導(dǎo)電性，”亞達夫說。

為了實現(xiàn)集成過程，他們創(chuàng)造了一種專門的新工具，可以仔細地將極其微小的GaN晶體管與硅芯片集成在一起。該工具使用真空來保持電介質(zhì)，因為它在硅片頂部移動，以納米精度對準(zhǔn)銅焊接界面。

他們使用先進的顯微鏡來監(jiān)控界面，然后當(dāng)電介質(zhì)處于正確的位置時，他們施加熱量和壓力將GaN晶體管結(jié)合到芯片上。

“對于流程中的每一步，我都必須找到一個新的合作者，他知道如何實現(xiàn)我需要的技術(shù)，向他們學(xué)習(xí)，然后將這些技術(shù)集成到我的平臺中。這是兩年不斷學(xué)習(xí)的過程，”亞達夫說。

一旦研究人員完善了制造過程，他們就通過開發(fā)功率放大器來展示這一點，功率放大器是一種增強無線信號的射頻電路。他們的設(shè)備實現(xiàn)了比傳統(tǒng)硅晶體管更高的帶寬和更好的增益。每個小型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最先進的金屬化和無源選項，他們能夠集成硅電路中常用的元件，如中和電容器。這顯著提高了放大器的增益，使其更接近實現(xiàn)下一代無線技術(shù)。

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