【产通社，7月11日讯】麻省理工学院（MIT）研究人员开发了一种新的制造工艺，以低成本和可扩展的方式将高性能氮化镓晶体管集成到标准硅CMOS芯片上。这种低成本、可扩展的技术能够将高速氮化镓晶体管无缝集成到标准硅芯片上。

氮化镓是一种先进的半导体材料，预计将在下一代高速通信系统和支持现代数据中心的电力电子设备中发挥关键作用。然而，氮化镓(GaN)的广泛使用受到其高成本和将其并入标准电子系统所需的专门技术的限制。

为了应对这些挑战，麻省理工学院和合作机构的研究人员开发了一种新的制造工艺，将高性能GaN晶体管集成到标准硅CMOS芯片上。该方法是低成本、可扩展的，并且与当前的半导体制造工艺兼容。

该方法包括在GaN芯片表面制造大量微小的晶体管，将它们单独切割出来，然后只将所需的晶体管粘合到硅片上。这是通过低温技术实现的，该技术保持了两种材料的性能。因为每个芯片中只添加了少量的氮化镓，所以成本很低。同时，该器件得益于紧凑的高速晶体管，性能大幅提升。通过在硅片上分布GaN晶体管，该工艺还有助于降低系统的整体温度。

使用这种方法，研究人员建立了一个功率放大器，这是手机中的一个关键组件，比传统的硅基版本提供更强的信号和更高的效率。在智能手机中，这可能会导致更清晰的通话、更快的无线连接、更好的整体连接和更长的电池寿命。因为他们的方法符合标准程序，它可以改善现有的电子设备以及未来的技术。随着时间的推移，新的集成方案甚至可以实现量子应用，因为GaN在低温下的性能优于硅，这对许多类型的量子计算来说都是必不可少的。

“如果我们能够降低成本，提高可扩展性，同时增强电子设备的性能，我们应该采用这项技术是显而易见的。我们将硅中最好的东西与最好的氮化镓电子学结合在一起。麻省理工学院研究生、该方法论文的主要作者Pradyot Yadav说:“这些混合芯片可以彻底改变许多商业市场。

麻省理工学院的研究生金晨·王和帕特里克·达尔马维-伊斯坎达尔与他共同完成了这篇论文；麻省理工博士后约翰·尼鲁拉；资深作者微系统技术实验室的访问科学家Ulriche L. Rodhe和电气工程和计算机科学系副教授和的成员Ruonan HanEECS的Clarence J. LeBel教授和MTL主任Tomás Palacios；以及佐治亚理工学院和空军研究实验室的合作者。这项研究最近在IEEE射频集成电路研讨会上发表。

首先，在GaN晶片的整个表面上制造一组紧密堆积的微小晶体管。使用非常精细的激光技术，他们将每一个都切割到晶体管的大小，即240×410微米，形成他们所谓的电介质。(一微米是一米的百万分之一。)

每个晶体管的顶部都有微小的铜柱，用来直接连接标准硅CMOS芯片表面的铜柱。铜与铜的接合可以在低于400摄氏度的温度下进行，这一温度足够低，不会损坏任何一种材料。

目前的GaN集成技术需要利用金的键合，金是一种昂贵的材料，需要比铜高得多的温度和更强的键合力。由于金会污染大多数半导体代工厂使用的工具，因此通常需要专门的设备。

“我们想要一种低成本、低温、低能耗的工艺，铜在所有与黄金相关的工艺中胜出。同时，它具有更好的导电性，”亚达夫说。

为了实现集成过程，他们创造了一种专门的新工具，可以仔细地将极其微小的GaN晶体管与硅芯片集成在一起。该工具使用真空来保持电介质，因为它在硅片顶部移动，以纳米精度对准铜焊接界面。

他们使用先进的显微镜来监控界面，然后当电介质处于正确的位置时，他们施加热量和压力将GaN晶体管结合到芯片上。

“对于流程中的每一步，我都必须找到一个新的合作者，他知道如何实现我需要的技术，向他们学习，然后将这些技术集成到我的平台中。这是两年不断学习的过程，”亚达夫说。

一旦研究人员完善了制造过程，他们就通过开发功率放大器来展示这一点，功率放大器是一种增强无线信号的射频电路。他们的设备实现了比传统硅晶体管更高的带宽和更好的增益。每个小型芯片的面积不到半平方毫米。

此外，由于他们在演示中使用的硅芯片基于英特尔16 22纳米FinFET最先进的金属化和无源选项，他们能够集成硅电路中常用的元件，如中和电容器。这显著提高了放大器的增益，使其更接近实现下一代无线技术。

查询进一步信息，请访问官方网站http://scitechdaily.com/mits-new-3d-chips-could-make-electronics-faster-and-more-energy-efficient/。（编译，镨元素）