作者：Maurizio Di Paolo Emilio，電力電子新聞編輯

在大多數(shù)當前設備中，基于硅的 CMOS 芯片用于計算。先進通信系統(tǒng)中的硅被逼到極限——極限會轉化為熱問題。這也是為什么目前市面上的5G移動設備在使用過程中會變得很熱，過一會就關機的原因。

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

不久的將來的電子設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)絡進行通信）。這意味著它們必須結合射頻、低工作功率和小尺寸。實現(xiàn)所有這些目標的一種干凈且有前途的方法是創(chuàng)建將硅 CMOS 與 III-V 半導體的功能相結合的單芯片。

這些材料結合了元素周期表第 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

5G 不僅僅是更快的 4G。運行 5G 的網(wǎng)絡將比現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡快 20 倍，使視頻下載速度快 10 倍。5G 被認為是“新”網(wǎng)絡，是管理物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的基礎設施候選者。

5G 網(wǎng)絡將帶來復雜的云應用服務，一個擁有智慧城市、自動駕駛汽車和新工業(yè)平臺的智能互聯(lián)社會。構建實現(xiàn)所有這些所需的 IC 勢在必行，但仍有大量設計工作和測試和測量工作要做。最具挑戰(zhàn)性的障礙包括標準的不斷發(fā)展、毫米波 (mmWave) 技術的采用和成本控制。

新加坡?麻省理工學院研究與技術聯(lián)盟 (Smart)是麻省理工學院在新加坡的研究機構，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。基于用于計算的 CMOS 芯片，但它們在照明和通信方面效率不高。這會導致低效率和發(fā)熱，”Smart 低能耗電子系統(tǒng) (LEES) 跨學科研究小組的高級創(chuàng)新經(jīng)理 Fayyaz Singaporewala 說。

GaN技術的功率密度使其成為行業(yè)的轉折點，用于相控陣應用和其他領域的此類器件的數(shù)量正在增加。最后，價格達到了使該技術即使對精打細算的消費市場也具有吸引力的水平。這些技術有可能將高速轉換器與微波組件結合在一個芯片中，包括功率放大器和偏置電路。

“硅 CMOS 技術可以實現(xiàn)約 20% 的功率附加效率 (PAE)，而 GaN 器件可以實現(xiàn) 50% 或更高的 PAE。但硅 CMOS 技術具有更高集成度的附加功能（如片上數(shù)字控制、自適應匹配、數(shù)字預失真等）的優(yōu)勢。Smart 的技術使我們能夠充分利用這兩個領域的優(yōu)勢，這對 5G 技術至關重要，” Smart LEES 集團高級科學總監(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，較低的延遲對于實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率至關重要。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會。

“新設備將使 5G 設備成為現(xiàn)實，因為當前技術無法跟上 5G 的要求。我們的技術將使芯片能夠在即將出現(xiàn)的復雜移動設備的緊湊功率和空間預算內(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 5G 設備，這些設備將為汽車、移動設備等提供動力，并將加速 5G 的采用，”Lee 說。

該技術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 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 設備。(e) 使用化學機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 有一個熱/可靠性小組，致力于研究其芯片的熱曲線并設計強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 集成設計規(guī)則以緩解熱問題?！拔覀兊臒?可靠性小組”，Lee 說，“還開發(fā)了正面和背面熱擴散/熱提取技術，以減少熱點并允許更冷的設備運行?！?/p>

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

目前，Smart 的研究主要集中在兩個 III-V 族材料：氮化物族，主要針對大功率應用和藍綠 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 等應用。

一個挑戰(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，以便層間電介質(zhì)覆蓋硅 CMOS 晶體管。

隨后，晶圓被轉移到智能結構進行集成和 III-V 處理。將每個晶圓上的硅 CMOS 層轉移到 III-V 層涉及一系列晶圓鍵合、氧化物沉積和化學機械拋光階段。通過隨后的退火（圖 2） ，采用直接和改進的熔合工藝進行粘合。

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

Smart 估計 5G 和照明市場的總市場潛力超過 1000 億美元。

“然而，要釋放這個巨大的潛力，融入硅世界是必不可少的。利用硅設計和制造的優(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)斍皯贸绦蜣D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“藍海”應用，因為設計師可以使用廣泛的設備來表達自己，”Lee 說。

對于 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的產(chǎn)品，此外還包括移動領域、無線基站和商業(yè)電信基礎設施的相關應用。MACOM 和 STMicroelectronics 正在為全球 5G 電信建設生產(chǎn) 150 毫米硅基 GaN。

審核編輯 黃昊宇