混合芯片可以解决 5G 移动设备中的热、效率和集成挑战

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，电力电子新闻编辑

在大多数当前设备中，基于硅的 CMOS 芯片用于计算。先进通信系统中的硅被逼到极限——极限会转化为热问题。这也是为什么目前市面上的5G移动设备在使用过程中会变得很热，过一会就关机的原因。

包括 IBM、香港科技大学和麻省理工学院在内的各种组织一直在尝试将硅与化合物半导体集成以解决此类问题。

不久的将来的电子设备将必须包含传感器并将数据无线传输到控制中心（可能通过 5G 网络进行通信）。这意味着它们必须结合射频、低工作功率和小尺寸。实现所有这些目标的一种干净且有前途的方法是创建将硅 CMOS 与 III-V 半导体的功能相结合的单芯片。

这些材料结合了元素周期表第 3 列和第 5 列的元素；示例包括氮化镓 (GaN) 和砷化铟镓 (InGaAs)。由于其独特的特性，它们特别适用于光电 (LED) 和通信 (5G)，从而提高了系统的整体效率。

芯片和5G网络

5G 不仅仅是更快的 4G。运行 5G 的网络将比现有的 4G 网络快 20 倍，使视频下载速度快 10 倍。5G 被认为是“新”网络，是管理物联网 (IoT) 的基础设施候选者。

5G 网络将带来复杂的云应用服务，一个拥有智慧城市、自动驾驶汽车和新工业平台的智能互联社会。构建实现所有这些所需的 IC 势在必行，但仍有大量设计工作和测试和测量工作要做。最具挑战性的障碍包括标准的不断发展、毫米波 (mmWave) 技术的采用和成本控制。

新加坡 麻省理工学院研究与技术联盟 (Smart)是麻省理工学院在新加坡的研究机构，已宣布成功开发出一种商业上可行的方法来制造与高性能 III-V 器件集成的硅电路。基于用于计算的 CMOS 芯片，但它们在照明和通信方面效率不高。这会导致低效率和发热，”Smart 低能耗电子系统 (LEES) 跨学科研究小组的高级创新经理 Fayyaz Singaporewala 说。

GaN技术的功率密度使其成为行业的转折点，用于相控阵应用和其他领域的此类器件的数量正在增加。最后，价格达到了使该技术即使对精打细算的消费市场也具有吸引力的水平。这些技术有可能将高速转换器与微波组件结合在一个芯片中，包括功率放大器和偏置电路。

“硅 CMOS 技术可以实现约 20% 的功率附加效率 (PAE)，而 GaN 器件可以实现 50% 或更高的 PAE。但硅 CMOS 技术具有更高集成度的附加功能（如片上数字控制、自适应匹配、数字预失真等）的优势。Smart 的技术使我们能够充分利用这两个领域的优势，这对 5G 技术至关重要，” Smart LEES 集团高级科学总监Kenneth Lee说 。

5G 不仅必须提供最高的数据速率，而且还必须提供小于 1 毫秒的延迟。由于 Internet 协议的特性，较低的延迟对于实现更高的数据传输速率至关重要。在汽车中，为了安全而利用通信非常重要，尤其是要大大减少致命事故的机会。

“新设备将使 5G 设备成为现实，因为当前技术无法跟上 5G 的要求。我们的技术将使芯片能够在即将出现的复杂移动设备的紧凑功率和空间预算内满足所有适用的 5G 规范。硅 III-V 芯片将支持创建移动 5G 设备，这些设备将为汽车、移动设备等提供动力，并将加速 5G 的采用，”Lee 说。

该技术主要基于位于不同基板上的两层硅和 III-V 材料，一起形成一个 1 微米的堆栈。该工艺可以使用现有的生产工具，显着降低成本和高性能电子系统。LEES处理方案的概述如图1所示。

图 1：(a) 1 µm 厚的硅 CMOS 层键合到使用外延制造的 III-V-on-silicon 晶圆上。(b) 在无 CMOS 区域打开窗口以暴露底层的 III-V 层，然后制造 III-V 器件。(c) 沉积介电层。(d) 创建 W 型插头以接触 III-V 设备。(e) 使用化学机械抛光沉积和平整电介质。(f) 硅代工厂通过典型的互连将硅 CMOS 和 III-V 器件连接在一起，以完成集成过程。

Smart LEES 有一个热/可靠性小组，致力于研究其芯片的热曲线并设计强大的热管理解决方案。III-V 器件布局的控制允许创建热效率高的器件，并且还建立了 CMOS + III-V 集成设计规则以缓解热问题。“我们的热/可靠性小组”，Lee 说，“还开发了正面和背面热扩散/热提取技术，以减少热点并允许更冷的设备运行。”

混合电路还能够以更好的稳定性和更少的噪声运行，从而显着提高电路的功能、复杂性和性能，所有这些都无需减小器件尺寸或增加晶体管数量即可实现。

目前，Smart 的研究主要集中在两个 III-V 族材料：氮化物族，主要针对大功率应用和蓝绿 LED；以及砷化物-磷化物系列，适用于超高频功率放大器、低噪声放大器以及黄色和红色 LED 等应用。

一个挑战是如何处理 CMOS 硅层和 III-V 材料。成功首先来自于硅 CMOS 器件的制造，直到后端互连之前的点，以便层间电介质覆盖硅 CMOS 晶体管。

随后，晶圆被转移到智能结构进行集成和 III-V 处理。将每个晶圆上的硅 CMOS 层转移到 III-V 层涉及一系列晶圆键合、氧化物沉积和化学机械抛光阶段。通过随后的退火（图 2） ，采用直接和改进的熔合工艺进行粘合。

结论“硅半导体彻底改变了电子行业，并继续在微处理器和存储器领域占据主导地位。III-V 半导体有可能再次彻底改变行业并实现从 5G 到物联网和智能汽车的广泛创新。化合物半导体具有多种特性，有利于这些应用。其中的关键是硅难以实现的显着更高的功率效率和独特的光学特性，”Singaporewala 说。

Smart 估计 5G 和照明市场的总市场潜力超过 1000 亿美元。

“然而，要释放这个巨大的潜力，融入硅世界是必不可少的。利用硅设计和制造的优化效率，使用 LEES 开发的优雅集成方法，III-V 器件将能够将当前应用程序转变为系统定义的下一代产品。此外，这种新颖的单片集成将引发新一波“蓝海”应用，因为设计师可以使用广泛的设备来表达自己，”Lee 说。

对于 5G RF，GaN 比硅更节能。许多公司正在组织在射频市场上开发采用硅基氮化镓技术的产品，此外还包括移动领域、无线基站和商业电信基础设施的相关应用。MACOM 和 STMicroelectronics 正在为全球 5G 电信建设生产 150 毫米硅基 GaN。

审核编辑 黄昊宇