近年來，5G/6G通訊、資料中心及量子應用需求增長，傳統矽工藝在高頻高效上遇瓶頸。氮化鎵（GaN）因寬頻隙、高遷移率備受關注，但高成本和整合難題限制應用。MIT團隊提出新工藝：在GaN晶圓批次製備微型電晶體，精準切割成約240×410微米晶粒，再通過低於400°C的銅-銅鍵合，將晶粒粘接到標準矽CMOS晶片。該方法成本低、相容主流流程，兼具GaN性能與先進矽工藝優勢，可提升頻寬和能效並降低溫度。以功率放大器為示範，晶片面積不足0.5平方毫米，增益和效率超傳統矽方案，有望提升手機通話質量、無線頻寬和續航。同時相容現有製造流程，不僅可最佳化當前電子裝置，也為未來低溫量子異質整合奠定基礎。研究人員開發出了一種全新的晶片製造工藝，能夠以低成本、可擴展的方式，將高性能氮化鎵（GaN）電晶體整合到標準的矽基CMOS晶片上｜圖源：研究團隊提供麻省理工學院研究生、該方法論文第一作者Pradyot Yadav表示：“如果我們能夠降低成本、提高可擴展性，同時增強電子器件性能，那麼採用這項技術顯而易見。我們結合了矽技術的優勢與氮化鎵電子學的最佳性能。這些混合晶片可徹底變革眾多商業市場。”Pradyot Yadav 是麻省理工學院電子工程與電腦科學系的博士研究生，研究聚焦於異質整合、三維晶片結構以及射頻與功率電子等前沿方向。作為本研究的第一作者，他主導開發了一種創新工藝，通過低溫銅-銅鍵合方式，將微型氮化鎵電晶體高效整合到矽晶片上，是這一整合平台的核心奠基者。論文合作者包括MIT研究生Jinchen Wang、Patrick Darmawi-Iskandar；MIT博士後John Niroula；高級作者、微系統技術實驗室（MTL）訪問科學家Ulrich L. Rohde；EECS（電氣工程與電腦科學系）副教授、MTL成員Han Ruonan；Clarence J. LeBel電子工程與電腦科學教授、MTL主任Tomás Palacios；以及佐治亞理工學院和美國空軍研究實驗室的合作者。該研究成果最近在IEEE射頻積體電路研討會上進行了展示。Han Ruonan是MIT電氣工程與電腦科學系副教授、微系統技術實驗室（MTL）核心成員，長期專注於高速無線通訊、毫米波/太赫茲積體電路和異質整合系統等領域研究。作為本研究的高級作者之一，他為整體架構設計和理論創新提供了關鍵指導，是推動該技術邁向實際應用的重要學術力量。電晶體替換：整合思路概述氮化鎵是世界上第二大使用最廣泛的半導體，僅次於矽。其獨特特性使其在照明、雷達系統和功率電子等應用中表現優越。氮化鎵材料已有數十年歷史。若要發揮其最大性能，需要將氮化鎵晶片與數字矽晶片（即CMOS晶片）互聯。目前部分整合方法是通過銲接將氮化鎵電晶體粘接到CMOS晶片上，但這限制了氮化鎵電晶體的最小尺寸。而電晶體越小，其可工作的頻率越高。也有方法將整片氮化鎵晶圓疊加到矽晶圓上，但這會消耗大量氮化鎵材料，成本極高，且實際上只需在極少數微小電晶體部分使用氮化鎵，剩餘大部分材料浪費嚴重。Yadav解釋：“我們希望在不犧牲成本或頻寬的前提下，將氮化鎵功能與矽數字晶片性能結合起來。我們的做法是在矽晶片上方直接加入超微小的離散氮化鎵電晶體。”新晶片實現依賴多步驟工藝：首先，在整片氮化鎵晶圓表面製作密集排列的微小電晶體。利用精細雷射技術，將每個電晶體切割至僅包含電晶體自身尺寸，即約240×410微米，形成所謂“晶粒”（dielet）。（1微米等於一百萬分之一米。）每個電晶體表面製備微小銅柱，用於與標準矽CMOS晶片表面的銅柱直接銲接。銅-銅鍵合溫度低於400°C，足以避免損傷兩種材料。金屬成本高且需要更高溫度及更大壓力；此外，金可能污染多數半導體代工廠裝置，需在專用設施中操作。Yadav指出：“我們需要低成本、低溫、低壓力工藝，銅在這些方面均優於金，同時導電性能更好。”專用工具：實現奈米級對準與鍵合為支援該整合流程，團隊開發了一種專用工具，可在奈米級精度下，將極微小的氮化鎵晶粒與矽晶片精確對準並鍵合。該工具通過真空吸持晶粒，在矽晶片表面移動、定位，並借助先進顯微技術監控銅柱介面。當晶粒精確就位後，施加熱和壓力，使氮化鎵電晶體牢固粘接到矽晶片上。Yadav回憶：“在每一步，我都需要找到相應技術的合作者，向他們學習，然後將技術整合到我的平台中。花了兩年時間不斷學習和打磨。”示範：高性能功率放大器完善工藝後，研究團隊利用該方法製作了功率放大器——一種提高無線訊號強度的射頻電路。實驗裝置在頻寬和增益上均超越傳統矽電晶體器件。每個緊湊晶片面積不足0.5平方毫米。此外，所用矽晶片基於Intel 16工藝節點、22奈米FinFET技術，具有先進的金屬互連和被動元件選項，能夠整合諸如中和電容等常見矽電路元件。這顯著提高了放大器增益，更接近下一代無線技術的需求。IBM研究科學家Atom Watanabe（未參與本研究）評論：“為應對摩爾定律在電晶體縮放上的放緩，異質整合已成為實現系統持續擴展、縮小體積、提升功效並最佳化成本的有前景方案。尤其在無線技術領域，將化合物半導體與矽基晶圓緊密整合，對於建構從天線到人工智慧平台的前端積體電路、基帶處理器、加速器和儲存器的統一系統至關重要。這項工作通過展示多片氮化鎵晶片與矽CMOS的三維整合，在當前技術能力之上邁出重要一步。”前景與支援該研究部分由美國國防部通過國防科學與工程研究生獎學金計畫（NDSEG Fellowship Program）及JUMP 2.0項目下的CHIMES中心資助，後者隸屬半導體研究公司（SRC）與國防部及國防高級研究計畫局（DARPA）合作。製造工作在MIT.Nano、美國空軍研究實驗室和佐治亞理工學院設施中完成。由於該整合工藝相容現有流程，不僅可提升當前電子產品性能，還可為未來新興技術奠定基礎。例如，在許多量子計算方案所需的低溫環境下，氮化鎵優於矽，若能通過此方法將氮化鎵器件與數字處理單元結合，或將加速量子應用的發展。這項技術將氮化鎵和矽兩大半導體各自優勢巧妙結合，既克服了GaN高成本與專用工藝限制，又利用成熟CMOS平台，實現性能與規模的平衡。隨著標準化流程的落地推廣，未來我們有望在手機、基站、資料中心甚至量子計算系統中見到更高速、更節能、更緊湊的器件設計。 (MITCEO)

近日，輝達與納微半導體(Navitas)展開戰略合作，開發下一代資料中心供電架構，特別是針對輝達未來的高性能計算平台。這項合作聚焦於創新的800伏高壓直流系統，旨在為包括 Rubin Ultra 在內的GPU提供穩定高效的AI算力供電，支援“Kyber系統”等先進AI資料中心基礎設施。納微的氮化鎵和碳化矽技術將在這一合作中發揮關鍵作用。納微半導體首席執行官指出，納微的創新技術正在AI資料中心 等市場中創造新的市場增長點。這項納微輝達合作預計將顯著提升電源效率約5%，並有望將資料中心的維護成本降低高達70%，為AI資料中心電源 帶來革命性的改進。有媒體指出，這代表了資料中心基礎設施領域的重大技術飛躍，特別是在支撐GW級AI計算負載方面，納微的技術將一定程度上大幅提升能效並降低銅材使用量。周三美股盤後，納微股價一度暴漲200%。(雅時化合物半導體)

過去十年，半導體領域最大的故事之一就是在電力電子領域意外超越傳統矽——碳化矽(SiC) 和氮化鎵(GaN) 已超越矽，佔領了價值數十億美元的細分市場市場的。隨著主要應用落入這些具有優越屬性的新貴手中，一個問題自然而然地出現了。 下一個新型功率半導體是什麼——其卓越的能力能否將從SiC 和GaN 手中奪取主要市場份額？ 人們的注意力集中在三種候選材料：氧化鎵、鑽石和氮化鋁(AlN)。它們都具有顯著的特性，但也存在迄今為止阻礙商業成功的根本弱點。然而，現在，由於最近的幾項突破，包括名古屋大學在去年12 月於舊金山舉行的最新IEEE 國際電子器件會議上報告的一項技術進步，AlN 的前景已大大改善。 圖1

採用氮化鎵的LED 照明已大幅減少了全球的用電量，預計十年後節省的電量可能高達46%。但在電力消耗方面，另一種電子技術可能在減少全球碳排放的關鍵驅動力中發揮更大的價值，那就是電力轉換。 大多數人完全不知道電力轉換技術如何影響他們，但這個過程在全球範圍內每天發生數萬億次，並使從移動電話到電動汽車到醫療和工業系統的任何東西都能正常運行，但由於實現這一過程的電子設備和系統效率低下，每天都會浪費大量地球能源。 帶隙係數 GaN 和SiC 都屬於一類稱為寬頻隙半導體的裝置。半導體的帶隙定義為電子從價帶躍遷到導帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價帶只是電子佔據的任何特定材料的原子的最外層電子軌道。

半導體產業的發展離不開產業的共識，而產業的共識往往體現在產業所公認的路線圖裡面。在上世紀末，美國的半導體工業協會SIA聯合歐洲和亞洲的半導體產業，開始發布大名鼎鼎的國際半導體技術路線圖（ITRS）。ITRS主要的貢獻是透過協調全球的半導體產業，發布了在21世紀初十多年中的晶片技術路線圖，包括特徵尺寸，功率密度，邏輯閘密度等等。到了2015年，隨著傳統基於2D CMOS特徵尺寸縮小的摩爾定律的發展到了尾聲，ITRS也不再更新，因此2015年版本就是ITRS的最後一個版本。在當時，作為ITRS的領導方之一，SIA發表聲明將會在未來適當的時候發布新的半導體路線圖。而在上週，SIA和SRC聯合發布了微電子和高級封裝路線圖，作為ITRS的後繼者。 MAPT路線圖主要針對未來十年左右(2023－2035)的時間範圍，首先分析了時間範圍內對於晶片行業的應用需求，包括主要驅動應用、能效比需求以及安全需求，並且根據這些需求，分別分析了半導體各細分產業（數位處理、進階封裝和異構繼承、類比和混合訊號半導體、矽光技術和MEMS、半導體製程、設計建模和測試標準、半導體材料以及供應鏈）需要對應的技術進步來滿足這些需求。 半導體晶片產業的驅動應用 首先，MAPT路線圖分析了未來十年內預期對於半導體產業最重要的驅動應用，其中最重要的包括：

氮化鎵電晶體和碳化矽 MOSFET是近兩、三年來新興的功率半導體，相較於傳統的矽材料功率半導體，他們都具有許多非常優異的特性：耐壓高，導通電阻小，寄生參數小等。他們也有各自與眾不同的特性：氮化鎵電晶體的極小寄生參數，極快開關速度使其特別適合高頻應用。碳化矽MOSFET的易驅動，高可靠等特性使其適合於高性能開關電源。 本文基於英飛凌的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET產品，對他們的結構、特性、兩者的應用差異等方面進行了詳細的介紹。 作為第三代功率半導體的絕代雙驕，氮化鎵晶體管和碳化矽MOSFET日益引起工業界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導體，是因為其材料與傳統的矽材料相比有許多的優點，如圖1所示。氮化鎵和碳化矽材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基於這兩種材料製作的功率半導體具有高耐壓，低導通電阻，寄生參數小等優異特性。當應用於開關電源領域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優點，可大幅提升開關電源的效率，功率密度和可靠性等性能。 圖1：矽、碳化矽，氮化鎵三種材料關鍵特性對比

I. 引言 氮化鎵（GaN）作為半導體材料，在現代電子技術領域中扮演著至關重要的角色。其獨特的特性和廣泛的應用領域使其成為半導體行業中備受矚目的關鍵組成部分。本引言將介紹GaN的重要性，並引出本文將深入探討的主題：GaN的特性和應用，以及其在半導體領域的深遠影響。 II. 氮化鎵的卓越特性 氮化鎵（GaN）作為一種半導體材料，擁有多項卓越特性，這些特性使其在半導體領域中備受矚目。以下將詳細介紹GaN的主要特性以及其在不同應用中的價值。