改变未来游戏规则，英特尔展示GaN新技术

众所周知，英特尔是业界佼佼者，他们研发的数字芯片引领着市场潮流，同时对处理器的电源供应能力亦极其关注。性能卓越的处理器不仅仅依赖于器件本身，而是与整个系统紧密相连。早在上世纪九十年代末期，英特尔便开始涉足氮化镓（GaN）功率器件领域。他们通过两项路径推进这项技术的深入研究。首先，积极投资相关科技公司，比如在2014年9月，英特尔作为领头羊参与了GaN功率器件公司Avogy的4000万美元B轮融资。其次，英特尔自主开展科研攻关，目前其在GaN上已在全球范围内展开了专利布局，其中包括为SoC设计的III-N晶体管、RF开关、超短沟道长度、场板及III-N/硅单片集成电路在内的多达67项专利技术储备。

就在去年，借助IEDM2022会议平台，英特尔成功开发出一种基于300毫米硅基氮化镓晶圆的制作方法，使得人们距离解决5G和电源能效问题又近了一步。值得注意的是，英特尔在这个领域取得的突出成果，不仅实现了比行业普遍水平高出20倍以上的增益，还创造了高性能供电指标的新纪录。

时间荏苒，今年英特尔在IEDM2023上面向公众发表了一篇名为《DrGaN：采用E模式GaN MOSHEMT和三维单片硅 PMOS的300mm硅基GaN功率开关集成CMOS驱动器技术》（DrGaN ： an Integrated CMOS Driver GaN Power Switch Technology on 300mm GaN on Silicon with E mode GaN MOSHEMT and 3D Monolithic Si PMOS）的学术论文，再次展示了他们在GaN领域的最新研究成果。

回顾历史，早在2004年，英特尔首次提出DrMOS的概念，首次将CMOS驱动器与硅功率器件进行整合，并最终成为了为个人电脑和数据中心供电的行业标准。如今，DrMOS已经深入人心，被广泛运用在各个领域。

那么，为何要将驱动器与功率器件进行整合呢？ 答案其实很简单，这种整合方式能够带来更加紧凑高效的解决方案，大大降低了寄生参数，从而使得半导体产业得以借助硅晶体管实现更为出色的供电处理能力。对于DrGaN而言，与DrMOS具有同样的设计理念—将GaN和硅基CMOS功能性器件整合，以“层转移”工艺，在300毫米硅晶圆上，借助于大规模的3D单片工艺进行完整组装。

选择使用GaN的理由有很多。首先，GaN拥有优越的宽带隙和巴利加优值，能够适应高频和大功率的需求环境。得益于其强大的宽带隙特性，电池涯值超过了GaAs和硅的十倍，这样就允许GaN晶体管的设计尺寸大幅减少，从而得到更高的性能表现;另一方面，由于GaN的自发极化效应和压电极化效应，在GaN和相关三元合金界面处产生了被称为二维电子气的特殊物质，无需添加任何杂质。

具体来说，英特尔所采用的器件架构便是MOSHEMT，换句话说，这实际上是将氮化镓HEMT进行了结合运用。通过搭乘二维电子气的高速电子迁移率以及器件结构中的量子阱优势，带来优异性能输出。栅极和沟道区域正是英特尔运用High-K（高K）氧化物栅介质的核心地带。之所以选用High-K介电质，正是看中了其在硅CMOS晶体管微缩上的显著优势，这极大助力了英特尔在氮化镓MOS器件上取得了惊人的性能表现。

需要特别强调的是，虽然DrGaN与其他“单芯片氮化镓集成电路（氮化镓+硅驱动器）”有相似之处，但是却存在本质性的差异。其他同类型的集成电路通常采用增强或耗尽模式，也就是说它们并非真正意义上的CMOS，因此在效率和减少泄漏方面的综合解决方案相较Less高效。

此外，英特尔并未使用p-GaN方法实现增强型氮化镓，英特尔的方法是将栅极区域加工呈MOS，这意味着在通道区域不使用典型的极化电荷诱导层，这些层诱导通道中电荷的形成。

这项技术极具前景，因为它具备改变游戏规则的能力。许多令人兴奋的机遇摆在面前，包括高效、高性能射频和电力传输与标准硅基处理器的全面集成。这种技术有潜力满足 5G 及更高版本的下一代移动设备、数据基础设施和通信网络的需求。