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英特尔晶圆代工中心的研究人员展示了一种基于 300 毫米硅基氮化镓晶圆的首创氮化镓芯片技术，标志着半导体设计领域的重大飞跃。这项成果在2025 年 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM)上发布，旨在解决现代计算领域最紧迫的挑战之一：如何在日益紧凑的空间内提供更强大的性能、更快的速度和更高的效率。为了满足图形处理器、服务器和无线网络对更高性能的需求，英特尔晶圆代工中心团队开发了一种超薄氮化镓芯片——其基底硅的厚度仅为 19 微米，大约是人类头发丝宽度的五分之一——以及业界首个完全单片集成的芯片上数字控制电路，所有这些都采用单一的集成制造工艺完成。
这项创新的需求源于现代电子产品的一个根本性难题：如何在更小的空间内集成更多功能，同时还要应对更高的功率负载和更快的数据传输速度。传统的硅基技术正接近其物理极限，业界一直在寻求氮化镓 (GaN) 等替代材料来弥补这一差距。英特尔晶圆代工将超薄 GaN 芯片与片上数字控制电路相结合，无需单独的配套芯片，并减少了组件间信号传输过程中的能量损耗。全面的可靠性测试进一步证明，该平台有望成为实际产品的有力候选方案。
这项技术为多个行业的切实改进打开了大门。在数据中心，氮化镓（GaN）芯片的开关速度更快，能耗更低，优于硅芯片。这将使电压调节器能够做得更小、更高效，并更靠近处理器——从而减少长距离电源路径上的电阻损耗。在无线基础设施领域，GaN晶体管的高频性能使其成为射频（RF）前端技术的理想选择，例如未来十年正在开发的5G和6G系统中使用的基站。GaN能够在超过200 GHz的频率下高效运行，这使其非常适合下一代网络所依赖的厘米波和毫米波频段。¹ 除了网络之外，同样的性能也适用于雷达系统、卫星通信和光子应用，这些应用都需要快速的电信号切换来调制光信号。
为什么选择氮化镓？了解其材料优势
氮化镓是一种化合物半导体——一种由两种元素构成的材料——因其卓越的物理特性而备受关注。可以将半导体晶体管想象成一个控制电流流动的阀门或开关。目前大多数晶体管芯片使用的材料硅虽然也是一个不错的阀门，但它也有局限性：在高电压下性能下降，并且随着开关速度的提高，会产生更多的热量和能量损耗。氮化镓晶体管可以承受更高的电压，开关速度更快，并且在此过程中能量损耗显著降低。这使得它在功率转换（即高效地升压或降压）领域极具吸引力。
英特尔晶圆代工的方法是——在行业标准的 300 毫米直径的大型硅晶圆上生长氮化镓——使得氮化镓芯片能够使用为传统硅芯片建造的大部分相同基础设施进行制造，从而有可能大幅降低成本，并实现行业所需的大规模生产。
一种新颖的方法：打造世界上最薄的氮化镓芯片
减薄半导体晶圆听起来很简单，但要在已完成所有晶体管和金属布线层的 300 毫米氮化镓硅基晶圆上进行减薄，同时又不损坏这些结构，却是一项艰巨的工程挑战。英特尔晶圆代工团队采用了一种名为“研磨前隐形切割”（SDBG）的技术来实现这一目标。该技术使用精确控制的激光在晶圆内部产生微小的裂纹，然后再通过机械研磨步骤减薄晶圆厚度。最终得到的氮化镓芯片，其底层硅衬底厚度仅为 19 微米。
为了验证晶圆减薄不会影响性能，研究团队测量了所制备芯片上晶体管的电学特性。栅极长度短至 30 纳米 (nm) 的晶体管展现出优异的载流能力、低能量损耗以及高达 78 伏的阻隔电压能力。射频性能同样出色，晶体管的工作截止频率超过 300 GHz——完全满足下一代无线通信所需的频率范围。
与传统的基于CMOS的硅芯片相比，GaN芯片具有诸多优势，这是硅芯片在其物理极限下无法比拟的。GaN芯片能够提供更高的功率密度，从而在更小的空间内实现更强大的系统——这对于空间受限的应用至关重要，例如数据中心、电动汽车（本质上是移动数据中心）和无线基站的负载点供电。硅芯片在结温高于约150°C时可靠性会降低，这限制了其在高温环境下的应用。GaN芯片更宽的带隙使其能够在更高的温度下稳定运行，从而降低开关过程中的功率损耗，并实现更高效的散热管理，进而减小冷却系统的尺寸和成本。此外，英特尔晶圆代工采用标准的300毫米硅晶圆进行GaN芯片生产，与现有的硅基制造基础设施兼容，有望减少对重大新投资的需求。
将硅逻辑直接集成到氮化镓芯片上
这项工作最新颖之处或许在于，它展示了直接构建在氮化镓芯片上的全功能数字电路。在传统电子学中，数字控制逻辑——即控制功率晶体管何时开启和关闭的电路——通常由单独的硅芯片处理。
在基于芯片组的系统中，独立的芯片会占用宝贵的空间，并且由于组件间较长的电气路径而导致效率降低。英特尔晶圆代工团队提出了一种潜在的解决方案，即在同一芯片组上集成两种类型的晶体管：一种是擅长处理高功率（高电压）的氮化镓N沟道金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（N-MOSHEMT），另一种是适用于低电压数字逻辑的硅P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（Si PMOS）。通过一种称为层转移的工艺将硅转移到氮化镓晶圆上，可以将这两种晶体管并排构建，并使用相同的布线层进行连接。
利用这一组合工艺，团队构建并测试了一整套数字电路构建模块库：反相器（用于将信号从“开”翻转到“关”）、与非门（一种基本逻辑运算）、多路复用器（用于在多个输入信号之间进行选择的电路）、触发器（用于存储单个信息比特的电路）以及环形振荡器（用于测量电路速度的反相器链）。每个电路均工作正常，速度测量结果——每个反相器的切换时间仅为 33 皮秒 (ps)，即 33 万亿分之一秒——在整个 300 毫米晶圆上保持一致，证实了该工艺的均匀性，并具有大规模生产的潜力。¹
可靠性证明：经久耐用
证明一项新的半导体技术在实验室中有效仅仅是成功的一半。任何芯片技术在应用于实际产品之前，都必须证明其能够在真实世界的严苛环境下（例如高温、高电压和持续电流）可靠运行数年。英特尔晶圆代工团队对氮化镓晶体管进行了四项行业标准可靠性测试，每项测试都旨在模拟芯片在其生命周期中遇到的不同类型应力。在时变介质击穿 (TDDB)、正偏压温度不稳定性 (pBTI)、高温反向偏压 (HTRB) 和热载流子注入 (HCI) 研究中取得的令人满意的结果表明，300 毫米氮化镓 MOSHEMT 技术能够满足所需的可靠性指标。
接下来是什么？
将数字控制电路直接集成到氮化镓 (GaN) 功率芯片上，为在紧凑的封装尺寸内实现日益复杂的片上智能芯片、高速开关和高效电源转换提供了可能。随着半导体行业不断向基于芯片的架构转型，英特尔晶圆代工的 300 毫米硅基氮化镓 (GaN-on-silicon) 平台将发挥核心作用，满足下一代计算和通信系统对性能、效率和密度的需求。从超大规模运营商到下一代无线网络，再到国防平台和卫星通信系统，氮化镓的高效性能将显著降低电力成本、冷却基础设施成本和碳排放，从而直接应对众多行业面临的最紧迫挑战。
（来源：编译自英特尔）
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