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英特爾晶圓代工中心的研究人員展示了一種基于 300 毫米硅基氮化鎵晶圓的首創(chuàng)氮化鎵芯片技術(shù)，標(biāo)志著半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大飛躍。這項(xiàng)成果在2025 年 IEEE 國(guó)際電子器件會(huì)議 (IEDM)上發(fā)布，旨在解決現(xiàn)代計(jì)算領(lǐng)域最緊迫的挑戰(zhàn)之一：如何在日益緊湊的空間內(nèi)提供更強(qiáng)大的性能、更快的速度和更高的效率。為了滿足圖形處理器、服務(wù)器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)更高性能的需求，英特爾晶圓代工中心團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種超薄氮化鎵芯片——其基底硅的厚度僅為 19 微米，大約是人類頭發(fā)絲寬度的五分之一——以及業(yè)界首個(gè)完全單片集成的芯片上數(shù)字控制電路，所有這些都采用單一的集成制造工藝完成。

這項(xiàng)創(chuàng)新的需求源于現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個(gè)根本性難題：如何在更小的空間內(nèi)集成更多功能，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)更高的功率負(fù)載和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。傳統(tǒng)的硅基技術(shù)正接近其物理極限，業(yè)界一直在尋求氮化鎵 (GaN) 等替代材料來(lái)彌補(bǔ)這一差距。英特爾晶圓代工將超薄 GaN 芯片與片上數(shù)字控制電路相結(jié)合，無(wú)需單獨(dú)的配套芯片，并減少了組件間信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損耗。全面的可靠性測(cè)試進(jìn)一步證明，該平臺(tái)有望成為實(shí)際產(chǎn)品的有力候選方案。

這項(xiàng)技術(shù)為多個(gè)行業(yè)的切實(shí)改進(jìn)打開(kāi)了大門。在數(shù)據(jù)中心，氮化鎵（GaN）芯片的開(kāi)關(guān)速度更快，能耗更低，優(yōu)于硅芯片。這將使電壓調(diào)節(jié)器能夠做得更小、更高效，并更靠近處理器——從而減少長(zhǎng)距離電源路徑上的電阻損耗。在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，GaN晶體管的高頻性能使其成為射頻（RF）前端技術(shù)的理想選擇，例如未來(lái)十年正在開(kāi)發(fā)的5G和6G系統(tǒng)中使用的基站。GaN能夠在超過(guò)200 GHz的頻率下高效運(yùn)行，這使其非常適合下一代網(wǎng)絡(luò)所依賴的厘米波和毫米波頻段。1 除了網(wǎng)絡(luò)之外，同樣的性能也適用于雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和光子應(yīng)用，這些應(yīng)用都需要快速的電信號(hào)切換來(lái)調(diào)制光信號(hào)。

為什么選擇氮化鎵？了解其材料優(yōu)勢(shì)

氮化鎵是一種化合物半導(dǎo)體——一種由兩種元素構(gòu)成的材料——因其卓越的物理特性而備受關(guān)注?？梢詫雽?dǎo)體晶體管想象成一個(gè)控制電流流動(dòng)的閥門或開(kāi)關(guān)。目前大多數(shù)晶體管芯片使用的材料硅雖然也是一個(gè)不錯(cuò)的閥門，但它也有局限性：在高電壓下性能下降，并且隨著開(kāi)關(guān)速度的提高，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量和能量損耗。氮化鎵晶體管可以承受更高的電壓，開(kāi)關(guān)速度更快，并且在此過(guò)程中能量損耗顯著降低。這使得它在功率轉(zhuǎn)換（即高效地升壓或降壓）領(lǐng)域極具吸引力。

英特爾晶圓代工的方法是——在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 300 毫米直徑的大型硅晶圓上生長(zhǎng)氮化鎵——使得氮化鎵芯片能夠使用為傳統(tǒng)硅芯片建造的大部分相同基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行制造，從而有可能大幅降低成本，并實(shí)現(xiàn)行業(yè)所需的大規(guī)模生產(chǎn)。

一種新穎的方法：打造世界上最薄的氮化鎵芯片

減薄半導(dǎo)體晶圓聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但要在已完成所有晶體管和金屬布線層的 300 毫米氮化鎵硅基晶圓上進(jìn)行減薄，同時(shí)又不損壞這些結(jié)構(gòu)，卻是一項(xiàng)艱巨的工程挑戰(zhàn)。英特爾晶圓代工團(tuán)隊(duì)采用了一種名為“研磨前隱形切割”（SDBG）的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該技術(shù)使用精確控制的激光在晶圓內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂紋，然后再通過(guò)機(jī)械研磨步驟減薄晶圓厚度。最終得到的氮化鎵芯片，其底層硅襯底厚度僅為 19 微米。

為了驗(yàn)證晶圓減薄不會(huì)影響性能，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了所制備芯片上晶體管的電學(xué)特性。柵極長(zhǎng)度短至 30 納米 (nm) 的晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的載流能力、低能量損耗以及高達(dá) 78 伏的阻隔電壓能力。射頻性能同樣出色，晶體管的工作截止頻率超過(guò) 300 GHz——完全滿足下一代無(wú)線通信所需的頻率范圍。

與傳統(tǒng)的基于CMOS的硅芯片相比，GaN芯片具有諸多優(yōu)勢(shì)，這是硅芯片在其物理極限下無(wú)法比擬的。GaN芯片能夠提供更高的功率密度，從而在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)——這對(duì)于空間受限的應(yīng)用至關(guān)重要，例如數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車（本質(zhì)上是移動(dòng)數(shù)據(jù)中心）和無(wú)線基站的負(fù)載點(diǎn)供電。硅芯片在結(jié)溫高于約150°C時(shí)可靠性會(huì)降低，這限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。GaN芯片更寬的帶隙使其能夠在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，從而降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功率損耗，并實(shí)現(xiàn)更高效的散熱管理，進(jìn)而減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和成本。此外，英特爾晶圓代工采用標(biāo)準(zhǔn)的300毫米硅晶圓進(jìn)行GaN芯片生產(chǎn)，與現(xiàn)有的硅基制造基礎(chǔ)設(shè)施兼容，有望減少對(duì)重大新投資的需求。

將硅邏輯直接集成到氮化鎵芯片上

這項(xiàng)工作最新穎之處或許在于，它展示了直接構(gòu)建在氮化鎵芯片上的全功能數(shù)字電路。在傳統(tǒng)電子學(xué)中，數(shù)字控制邏輯——即控制功率晶體管何時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉的電路——通常由單獨(dú)的硅芯片處理。

在基于芯片組的系統(tǒng)中，獨(dú)立的芯片會(huì)占用寶貴的空間，并且由于組件間較長(zhǎng)的電氣路徑而導(dǎo)致效率降低。英特爾晶圓代工團(tuán)隊(duì)提出了一種潛在的解決方案，即在同一芯片組上集成兩種類型的晶體管：一種是擅長(zhǎng)處理高功率（高電壓）的氮化鎵N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管（N-MOSHEMT），另一種是適用于低電壓數(shù)字邏輯的硅P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Si PMOS）。通過(guò)一種稱為層轉(zhuǎn)移的工藝將硅轉(zhuǎn)移到氮化鎵晶圓上，可以將這兩種晶體管并排構(gòu)建，并使用相同的布線層進(jìn)行連接。

利用這一組合工藝，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建并測(cè)試了一整套數(shù)字電路構(gòu)建模塊庫(kù)：反相器（用于將信號(hào)從“開(kāi)”翻轉(zhuǎn)到“關(guān)”）、與非門（一種基本邏輯運(yùn)算）、多路復(fù)用器（用于在多個(gè)輸入信號(hào)之間進(jìn)行選擇的電路）、觸發(fā)器（用于存儲(chǔ)單個(gè)信息比特的電路）以及環(huán)形振蕩器（用于測(cè)量電路速度的反相器鏈）。每個(gè)電路均工作正常，速度測(cè)量結(jié)果——每個(gè)反相器的切換時(shí)間僅為 33 皮秒 (ps)，即 33 萬(wàn)億分之一秒——在整個(gè) 300 毫米晶圓上保持一致，證實(shí)了該工藝的均勻性，并具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。1

可靠性證明：經(jīng)久耐用

證明一項(xiàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中有效僅僅是成功的一半。任何芯片技術(shù)在應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品之前，都必須證明其能夠在真實(shí)世界的嚴(yán)苛環(huán)境下（例如高溫、高電壓和持續(xù)電流）可靠運(yùn)行數(shù)年。英特爾晶圓代工團(tuán)隊(duì)對(duì)氮化鎵晶體管進(jìn)行了四項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可靠性測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試都旨在模擬芯片在其生命周期中遇到的不同類型應(yīng)力。在時(shí)變介質(zhì)擊穿 (TDDB)、正偏壓溫度不穩(wěn)定性 (pBTI)、高溫反向偏壓 (HTRB) 和熱載流子注入 (HCI) 研究中取得的令人滿意的結(jié)果表明，300 毫米氮化鎵 MOSHEMT 技術(shù)能夠滿足所需的可靠性指標(biāo)。

接下來(lái)是什么？

將數(shù)字控制電路直接集成到氮化鎵 (GaN) 功率芯片上，為在緊湊的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的片上智能芯片、高速開(kāi)關(guān)和高效電源轉(zhuǎn)換提供了可能。隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷向基于芯片的架構(gòu)轉(zhuǎn)型，英特爾晶圓代工的 300 毫米硅基氮化鎵 (GaN-on-silicon) 平臺(tái)將發(fā)揮核心作用，滿足下一代計(jì)算和通信系統(tǒng)對(duì)性能、效率和密度的需求。從超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商到下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，再到國(guó)防平臺(tái)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，氮化鎵的高效性能將顯著降低電力成本、冷卻基礎(chǔ)設(shè)施成本和碳排放，從而直接應(yīng)對(duì)眾多行業(yè)面臨的最緊迫挑戰(zhàn)。

（來(lái)源：編譯自英特爾）

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