（來源：MIT News）

在這個對高效、高性能電子設備需求空前高漲的時代，先進半導體材料的研發和集成變得至關重要。

作為全球第二大半導體材料（僅次于硅），氮化鎵（GaN）憑借其獨特性能已成為照明、雷達系統和功率電子器件的理想選擇。盡管該材料已應用數十年，但若要充分發揮其性能優勢，必須實現 GaN 晶體管與硅基數字芯片（即 CMOS 芯片）的高效互聯。

然而，現有集成方案存在明顯局限：焊接連接方案雖能實現 GaN 晶體管與 CMOS 芯片的鍵合，但會制約晶體管微型化進程。晶體管尺寸越小，其工作頻率才能越高；另一種晶圓級集成方案將整片 GaN 晶圓堆疊于硅晶圓之上，但因材料利用率極低導致成本激增。

近期，由麻省理工學院（MIT）領銜的研究團隊開發出一種新型制造工藝，能以低成本、可擴展的方式將高性能 GaN 晶體管集成到標準硅基 CMOS 芯片上，且完全兼容現有半導體代工廠產線。這項研究最近在 IEEE 射頻集成電路研討會上進行了展示。

“我們的目標是在不犧牲成本或帶寬的前提下，實現 GaN 晶體管與硅基數字芯片的融合。通過在硅芯片表面精準集成超微型分立式 GaN 晶體管，成功攻克了這一難題。”論文第一作者、MIT 博士生 Pradyot Yadav 強調。

該技術通過在 GaN 晶圓表面制備微型晶體管陣列，切割后通過低溫工藝將所需數量的晶體管精準鍵合至硅芯片，僅需添加少量 GaN 材料即可顯著提升器件性能，既保留了兩種材料的性能優勢，又大幅降低了成本。這種分布式集成方案還能有效降低系統整體工作溫度

該團隊開發的多步集成工藝包含以下關鍵技術環節：

首先在 GaN 晶圓表面高密度制備微型晶體管陣列，隨后采用高精度激光切割技術將每個晶體管加工成 240×410 微米的獨立單元（研究者稱之為“dielet”）。每個晶體管頂部預制微型銅柱，通過低于 400℃ 的銅-銅低溫鍵合工藝與硅 CMOS 芯片表面的銅柱直接連接，這一溫度閾值能確保兩種材料性能不受損。

現行 GaN 集成技術普遍采用金鍵合工藝，不僅材料成本高昂，還需更高溫度和更強鍵合力。更關鍵的是，金材料會污染半導體代工廠的標準設備，往往需要專用產線。“我們追求的工藝必須滿足低成本、低溫、低壓三大特征，銅在所有方面都完勝金材料，同時還具有更優異的導電性能。”Yadav 表示。

為實現高精度集成，研究團隊自主研發了專用設備。該設備通過真空吸附技術操控微米級 GaN 晶體管單元（dielet），能以納米級的定位精度將其對準硅芯片表面的銅鍵合區。借助先進顯微成像系統實時監控對接過程，當晶體管到達預設位置后，施加熱壓完成鍵合。

為驗證該工藝，研究人員以手機核心組件射頻功率放大器（用于增強無線信號的電路）作為驗證案例，所制備器件在帶寬和增益方面全面超越傳統硅基晶體管方案，單個芯片面積不足 0.5 平方毫米。應用于智能手機可同步實現通話質量提升、無線帶寬擴容、連接穩定性增強電池續航延長等多重優勢。

特別值得注意的是，上述案例中采用的硅芯片基于 Intel 16/22 nm FinFET 先進工藝，具備頂級金屬化方案和無源器件選項，因此能集成硅電路常用組件（如中和電容器），使放大器增益顯著提升，為下一代無線技術奠定基礎。

除了直接的商業應用外，研究人員表示，他們的創新制造技術還為未來技術帶來了希望，有可能開啟量子計算的進步。氮化鎵在低溫下的性能（在量子應用中通常必不可少）使其成為下一代計算范式的首選材料。GaN 和硅電子器件最佳特性的融合，可能引領一波技術進步浪潮，從而改變多個電子市場，創造出不僅功能更強大、用途更廣泛的器件。

未參與該研究的 IBM 科學家 Atom Watanabe 評價道：“為應對摩爾定律放緩，異質集成已成為實現系統持續微型化、能效提升和成本優化的關鍵路徑。尤其在無線技術領域，化合物半導體與硅晶圓的緊密集成，對實現包含前端集成電路、基帶處理器、加速器和內存的天線到 AI 一體化平臺至關重要。本研究通過 GaN 與硅 CMOS 的三維集成取得重大突破，拓展了現有技術邊界。”

1.https://news.mit.edu/2025/new-3d-chips-could-make-electronics-faster-and-more-energy-efficient-0618