全球最薄氮化鎵晶片，英特爾造
英特爾晶圓代工中心的研究人員展示了一種基於 300 毫米矽基氮化鎵晶圓的首創氮化鎵晶片技術，標誌著半導體設計領域的重大飛躍。這項成果在2025 年 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM)上發佈，旨在解決現代計算領域最緊迫的挑戰之一：如何在日益緊湊的空間內提供更強大的性能、更快的速度和更高的效率。為了滿足圖形處理器、伺服器和無線網路對更高性能的需求，英特爾晶圓代工中心團隊開發了一種超薄氮化鎵晶片——其基底矽的厚度僅為 19 微米，大約是人類頭髮絲寬度的五分之一——以及業界首個完全單片整合的晶片上數字控制電路，所有這些都採用單一的整合製造工藝完成。
這項創新的需求源於現代電子產品的一個根本性難題：如何在更小的空間內整合更多功能，同時還要應對更高的功率負載和更快的資料傳輸速度。傳統的矽基技術正接近其物理極限，業界一直在尋求氮化鎵 (GaN) 等替代材料來彌補這一差距。英特爾晶圓代工將超薄 GaN 晶片與片上數字控制電路相結合，無需單獨的配套晶片，並減少了元件間訊號傳輸過程中的能量損耗。全面的可靠性測試進一步證明，該平台有望成為實際產品的有力候選方案。
這項技術為多個行業的切實改進打開了大門。在資料中心，氮化鎵（GaN）晶片的開關速度更快，能耗更低，優於矽晶片。這將使電壓調節器能夠做得更小、更高效，並更靠近處理器——從而減少長距離電源路徑上的電阻損耗。在無線基礎設施領域，GaN電晶體的高頻性能使其成為射頻（RF）前端技術的理想選擇，例如未來十年正在開發的5G和6G系統中使用的基站。GaN能夠在超過200 GHz的頻率下高效運行，這使其非常適合下一代網路所依賴的釐米波和毫米波頻段。¹ 除了網路之外，同樣的性能也適用於雷達系統、衛星通訊和光子應用，這些應用都需要快速的電訊號切換來調製光訊號。
為什麼選擇氮化鎵？瞭解其材料優勢
氮化鎵是一種化合物半導體——一種由兩種元素構成的材料——因其卓越的物理特性而備受關注。可以將半導體電晶體想像成一個控制電流流動的閥門或開關。目前大多數電晶體晶片使用的材料矽雖然也是一個不錯的閥門，但它也有侷限性：在高電壓下性能下降，並且隨著開關速度的提高，會產生更多的熱量和能量損耗。氮化鎵電晶體可以承受更高的電壓，開關速度更快，並且在此過程中能量損耗顯著降低。這使得它在功率轉換（即高效地升壓或降壓）領域極具吸引力。
英特爾晶圓代工的方法是——在行業標準的 300 毫米直徑的大型矽晶圓上生長氮化鎵——使得氮化鎵晶片能夠使用為傳統矽晶片建造的大部分相同基礎設施進行製造，從而有可能大幅降低成本，並實現行業所需的大規模生產。
一種新穎的方法：打造世界上最薄的氮化鎵晶片
減薄半導體晶圓聽起來很簡單，但要在已完成所有電晶體和金屬布線層的 300 毫米氮化鎵矽基晶圓上進行減薄，同時又不損壞這些結構，卻是一項艱巨的工程挑戰。英特爾晶圓代工團隊採用了一種名為“研磨前隱形切割”（SDBG）的技術來實現這一目標。該技術使用精確控制的雷射在晶圓內部產生微小的裂紋，然後再通過機械研磨步驟減薄晶圓厚度。最終得到的氮化鎵晶片，其底層矽襯底厚度僅為 19 微米。
為了驗證晶圓減薄不會影響性能，研究團隊測量了所製備晶片上電晶體的電學特性。柵極長度短至 30 奈米 (nm) 的電晶體展現出優異的載流能力、低能量損耗以及高達 78 伏的阻隔電壓能力。射頻性能同樣出色，電晶體的工作截止頻率超過 300 GHz——完全滿足下一代無線通訊所需的頻率範圍。
與傳統的基於CMOS的矽晶片相比，GaN晶片具有諸多優勢，這是矽晶片在其物理極限下無法比擬的。GaN晶片能夠提供更高的功率密度，從而在更小的空間內實現更強大的系統——這對於空間受限的應用至關重要，例如資料中心、電動汽車（本質上是移動資料中心）和無線基站的負載點供電。矽晶片在結溫高於約150°C時可靠性會降低，這限制了其在高溫環境下的應用。GaN晶片更寬的帶隙使其能夠在更高的溫度下穩定運行，從而降低開關過程中的功率損耗，並實現更高效的散熱管理，進而減小冷卻系統的尺寸和成本。此外，英特爾晶圓代工採用標準的300毫米矽晶圓進行GaN晶片生產，與現有的矽基製造基礎設施相容，有望減少對重大新投資的需求。
將矽邏輯直接整合到氮化鎵晶片上
這項工作最新穎之處或許在於，它展示了直接建構在氮化鎵晶片上的全功能數位電路。在傳統電子學中，數字控制邏輯——即控制功率電晶體何時開啟和關閉的電路——通常由單獨的矽晶片處理。
在基於晶片組的系統中，獨立的晶片會佔用寶貴的空間，並且由於元件間較長的電氣路徑而導致效率降低。英特爾晶圓代工團隊提出了一種潛在的解決方案，即在同一晶片組上整合兩種類型的電晶體：一種是擅長處理高功率（高電壓）的氮化鎵N溝道金屬氧化物半導體高電子遷移率電晶體（N-MOSHEMT），另一種是適用於低電壓數字邏輯的矽P溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體（Si PMOS）。通過一種稱為層轉移的工藝將矽轉移到氮化鎵晶圓上，可以將這兩種電晶體並排建構，並使用相同的布線層進行連接。
利用這一組合工藝，團隊建構並測試了一整套數位電路建構模組庫：反相器（用於將訊號從“開”翻轉到“關”）、與非門（一種基本邏輯運算）、多路復用器（用於在多個輸入訊號之間進行選擇的電路）、觸發器（用於儲存單個資訊位元的電路）以及環形振盪器（用於測量電路速度的反相器鏈）。每個電路均工作正常，速度測量結果——每個反相器的切換時間僅為 33 皮秒 (ps)，即 33 兆分之一秒——在整個 300 毫米晶圓上保持一致，證實了該工藝的均勻性，並具有大規模生產的潛力。¹
可靠性證明：經久耐用
證明一項新的半導體技術在實驗室中有效僅僅是成功的一半。任何晶片技術在應用於實際產品之前，都必須證明其能夠在真實世界的嚴苛環境下（例如高溫、高電壓和持續電流）可靠運行數年。英特爾晶圓代工團隊對氮化鎵電晶體進行了四項行業標準可靠性測試，每項測試都旨在模擬晶片在其生命周期中遇到的不同類型應力。在時變介質擊穿 (TDDB)、正偏壓溫度不穩定性 (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果表明，300 毫米氮化鎵 MOSHEMT 技術能夠滿足所需的可靠性指標。
接下來是什麼？
將數字控制電路直接整合到氮化鎵 (GaN) 功率晶片上，為在緊湊的封裝尺寸內實現日益複雜的片上智能晶片、高速開關和高效電源轉換提供了可能。隨著半導體行業不斷向基於晶片的架構轉型，英特爾晶圓代工的 300 毫米矽基氮化鎵 (GaN-on-silicon) 平台將發揮核心作用，滿足下一代計算和通訊系統對性能、效率和密度的需求。從超大規模營運商到下一代無線網路，再到國防平台和衛星通訊系統，氮化鎵的高效性能將顯著降低電力成本、冷卻基礎設施成本和碳排放，從而直接應對眾多行業面臨的最緊迫挑戰。 (半導體行業觀察)