作者：Maurizio Di Paolo Emilio，電力電子新聞編輯

在大多數(shù)當(dāng)前設(shè)備中，基于硅的 CMOS 芯片用于計(jì)算。先進(jìn)通信系統(tǒng)中的硅被逼到極限——極限會(huì)轉(zhuǎn)化為熱問題。這也是為什么目前市面上的5G移動(dòng)設(shè)備在使用過程中會(huì)變得很熱，過一會(huì)就關(guān)機(jī)的原因。

包括 IBM、香港科技大學(xué)和麻省理工學(xué)院在內(nèi)的各種組織一直在嘗試將硅與化合物半導(dǎo)體集成以解決此類問題。

不久的將來的電子設(shè)備將必須包含傳感器并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心（可能通過 5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信）。這意味著它們必須結(jié)合射頻、低工作功率和小尺寸。實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)的一種干凈且有前途的方法是創(chuàng)建將硅 CMOS 與 III-V 半導(dǎo)體的功能相結(jié)合的單芯片。

這些材料結(jié)合了元素周期表第 3 列和第 5 列的元素；示例包括氮化鎵 (GaN) 和砷化銦鎵 (InGaAs)。由于其獨(dú)特的特性，它們特別適用于光電 (LED) 和通信 (5G)，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。

芯片和5G網(wǎng)絡(luò)

5G 不僅僅是更快的 4G。運(yùn)行 5G 的網(wǎng)絡(luò)將比現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡(luò)快 20 倍，使視頻下載速度快 10 倍。5G 被認(rèn)為是“新”網(wǎng)絡(luò)，是管理物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的基礎(chǔ)設(shè)施候選者。

5G 網(wǎng)絡(luò)將帶來復(fù)雜的云應(yīng)用服務(wù)，一個(gè)擁有智慧城市、自動(dòng)駕駛汽車和新工業(yè)平臺(tái)的智能互聯(lián)社會(huì)。構(gòu)建實(shí)現(xiàn)所有這些所需的 IC 勢(shì)在必行，但仍有大量設(shè)計(jì)工作和測(cè)試和測(cè)量工作要做。最具挑戰(zhàn)性的障礙包括標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展、毫米波 (mmWave) 技術(shù)的采用和成本控制。

新加坡?麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟 (Smart)是麻省理工學(xué)院在新加坡的研究機(jī)構(gòu)，已宣布成功開發(fā)出一種商業(yè)上可行的方法來制造與高性能 III-V 器件集成的硅電路。基于用于計(jì)算的 CMOS 芯片，但它們?cè)谡彰骱屯ㄐ欧矫嫘什桓摺＿@會(huì)導(dǎo)致低效率和發(fā)熱，”Smart 低能耗電子系統(tǒng) (LEES) 跨學(xué)科研究小組的高級(jí)創(chuàng)新經(jīng)理 Fayyaz Singaporewala 說。

GaN技術(shù)的功率密度使其成為行業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，用于相控陣應(yīng)用和其他領(lǐng)域的此類器件的數(shù)量正在增加。最后，價(jià)格達(dá)到了使該技術(shù)即使對(duì)精打細(xì)算的消費(fèi)市場也具有吸引力的水平。這些技術(shù)有可能將高速轉(zhuǎn)換器與微波組件結(jié)合在一個(gè)芯片中，包括功率放大器和偏置電路。

“硅 CMOS 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)約 20% 的功率附加效率 (PAE)，而 GaN 器件可以實(shí)現(xiàn) 50% 或更高的 PAE。但硅 CMOS 技術(shù)具有更高集成度的附加功能（如片上數(shù)字控制、自適應(yīng)匹配、數(shù)字預(yù)失真等）的優(yōu)勢(shì)。Smart 的技術(shù)使我們能夠充分利用這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，這對(duì) 5G 技術(shù)至關(guān)重要，” Smart LEES 集團(tuán)高級(jí)科學(xué)總監(jiān)Kenneth Lee說?。

5G 不僅必須提供最高的數(shù)據(jù)速率，而且還必須提供小于 1 毫秒的延遲。由于 Internet 協(xié)議的特性，較低的延遲對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率至關(guān)重要。在汽車中，為了安全而利用通信非常重要，尤其是要大大減少致命事故的機(jī)會(huì)。

“新設(shè)備將使 5G 設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楫?dāng)前技術(shù)無法跟上 5G 的要求。我們的技術(shù)將使芯片能夠在即將出現(xiàn)的復(fù)雜移動(dòng)設(shè)備的緊湊功率和空間預(yù)算內(nèi)滿足所有適用的 5G 規(guī)范。硅 III-V 芯片將支持創(chuàng)建移動(dòng) 5G 設(shè)備，這些設(shè)備將為汽車、移動(dòng)設(shè)備等提供動(dòng)力，并將加速 5G 的采用，”Lee 說。

該技術(shù)主要基于位于不同基板上的兩層硅和 III-V 材料，一起形成一個(gè) 1 微米的堆棧。該工藝可以使用現(xiàn)有的生產(chǎn)工具，顯著降低成本和高性能電子系統(tǒng)。LEES處理方案的概述如圖1所示。

圖 1：(a) 1 μm 厚的硅 CMOS 層鍵合到使用外延制造的 III-V-on-silicon 晶圓上。(b) 在無 CMOS 區(qū)域打開窗口以暴露底層的 III-V 層，然后制造 III-V 器件。(c) 沉積介電層。(d) 創(chuàng)建 W 型插頭以接觸 III-V 設(shè)備。(e) 使用化學(xué)機(jī)械拋光沉積和平整電介質(zhì)。(f) 硅代工廠通過典型的互連將硅 CMOS 和 III-V 器件連接在一起，以完成集成過程。

Smart LEES 有一個(gè)熱/可靠性小組，致力于研究其芯片的熱曲線并設(shè)計(jì)強(qiáng)大的熱管理解決方案。III-V 器件布局的控制允許創(chuàng)建熱效率高的器件，并且還建立了 CMOS + III-V 集成設(shè)計(jì)規(guī)則以緩解熱問題。“我們的熱/可靠性小組”，Lee 說，“還開發(fā)了正面和背面熱擴(kuò)散/熱提取技術(shù)，以減少熱點(diǎn)并允許更冷的設(shè)備運(yùn)行。”

混合電路還能夠以更好的穩(wěn)定性和更少的噪聲運(yùn)行，從而顯著提高電路的功能、復(fù)雜性和性能，所有這些都無需減小器件尺寸或增加晶體管數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)。

目前，Smart 的研究主要集中在兩個(gè) III-V 族材料：氮化物族，主要針對(duì)大功率應(yīng)用和藍(lán)綠 LED；以及砷化物-磷化物系列，適用于超高頻功率放大器、低噪聲放大器以及黃色和紅色 LED 等應(yīng)用。

一個(gè)挑戰(zhàn)是如何處理 CMOS 硅層和 III-V 材料。成功首先來自于硅 CMOS 器件的制造，直到后端互連之前的點(diǎn)，以便層間電介質(zhì)覆蓋硅 CMOS 晶體管。

隨后，晶圓被轉(zhuǎn)移到智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成和 III-V 處理。將每個(gè)晶圓上的硅 CMOS 層轉(zhuǎn)移到 III-V 層涉及一系列晶圓鍵合、氧化物沉積和化學(xué)機(jī)械拋光階段。通過隨后的退火（圖 2） ，采用直接和改進(jìn)的熔合工藝進(jìn)行粘合。

結(jié)論“硅半導(dǎo)體徹底改變了電子行業(yè)，并繼續(xù)在微處理器和存儲(chǔ)器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。III-V 半導(dǎo)體有可能再次徹底改變行業(yè)并實(shí)現(xiàn)從 5G 到物聯(lián)網(wǎng)和智能汽車的廣泛創(chuàng)新。化合物半導(dǎo)體具有多種特性，有利于這些應(yīng)用。其中的關(guān)鍵是硅難以實(shí)現(xiàn)的顯著更高的功率效率和獨(dú)特的光學(xué)特性，”Singaporewala 說。

Smart 估計(jì) 5G 和照明市場的總市場潛力超過 1000 億美元。

“然而，要釋放這個(gè)巨大的潛力，融入硅世界是必不可少的。利用硅設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)化效率，使用 LEES 開發(fā)的優(yōu)雅集成方法，III-V 器件將能夠?qū)?dāng)前應(yīng)用程序轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)定義的下一代產(chǎn)品。此外，這種新穎的單片集成將引發(fā)新一波“藍(lán)海”應(yīng)用，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師可以使用廣泛的設(shè)備來表達(dá)自己，”Lee 說。

對(duì)于 5G RF，GaN 比硅更節(jié)能。許多公司正在組織在射頻市場上開發(fā)采用硅基氮化鎵技術(shù)的產(chǎn)品，此外還包括移動(dòng)領(lǐng)域、無線基站和商業(yè)電信基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)應(yīng)用。MACOM 和 STMicroelectronics 正在為全球 5G 電信建設(shè)生產(chǎn) 150 毫米硅基 GaN。

審核編輯 黃昊宇