北京
該放大器性能優(yōu)于同類無線器件。
麻省理工學院等機構(gòu)的研究人員開發(fā)出一種芯片制造技術(shù)，有望使未來的無線系統(tǒng)變得更快、更強、更節(jié)能。
該團隊將氮化鎵晶體管嵌入一層超薄金剛石中，讓金剛石充當芯片內(nèi)部的散熱層。
這種方法有助于均衡整個器件的溫度，使晶體管能夠在接近峰值性能的狀態(tài)下工作，同時不降低可靠性。
前景廣闊的替代方案
氮化鎵（GaN）被視為在6G和衛(wèi)星通信等高要求無線應(yīng)用中替代硅材料的一個很有前景的方案。
硅是大多數(shù)計算機芯片的基礎(chǔ)，但在可處理的功率上存在根本性限制。GaN能承受更高的速度和能量水平，但發(fā)熱仍是一大障礙。
隨著越來越多的GaN晶體管被高密度集成到硅芯片上越來越小的區(qū)域內(nèi)，局部熱點可能降低可靠性并影響性能。這種基于金剛石的新方法正是為了解決這一瓶頸。
“在無線設(shè)備中，沒有哪一種單一材料能面面俱到，因此這些三維異質(zhì)集成系統(tǒng)將成為常態(tài)，”該進展相關(guān)論文的第一作者普拉迪奧特·亞達夫說。
“剩下的關(guān)鍵挑戰(zhàn)一直是可靠性和熱管理，現(xiàn)在我們可能已經(jīng)打通了讓這些系統(tǒng)大規(guī)模、高產(chǎn)量運行所需的最后一步。”
面向更快無線系統(tǒng)的多材料芯片設(shè)計
這項工作建立在異質(zhì)集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，這類系統(tǒng)將多種材料堆疊在一個封裝內(nèi)，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
此前，麻省理工學院的研究人員曾將GaN堆疊在硅和玻璃上，以制造更高性能的芯片。然而，這種芯片中的每種材料可能工作在不同的溫度下，進而影響可靠性。
此次研究人員使用了實驗室培育的珠寶級金剛石。金剛石在所有已知材料中具有最高的導(dǎo)熱率，而單晶金剛石晶圓生長技術(shù)的進步使其在芯片中的應(yīng)用更加可行。
早期的工作嘗試在GaN晶體管頂部生長超薄金剛石層，但該工藝難以規(guī)模化，并且可能引入不期望的電容，從而減慢電路運行速度。
相反，這個由麻省理工學院牽頭的團隊將微小的GaN晶體管（稱為“dielet”）嵌入到超薄單晶金剛石中介層中。
將晶體管嵌入金剛石
“通過將這些GaN晶體管放入金剛石中介層，我們實際上能夠提升器件的性能，而非使其下降。我們可以兩全其美。”亞達夫說。
該工藝首先使用飛秒激光從晶圓上切割下GaN dielet，并在金剛石襯底上鉆出精確的空腔。在放入dielet之前，每個空腔底部會先放置一層20微米厚的芯片貼裝膜。
為GaN芯片樹立新標桿
隨后，團隊在GaN和金剛石上方堆疊介電層和金屬層，構(gòu)建出工作電路。利用這種方法，他們制造了一款用于無線通信的功率放大器。
該放大器實現(xiàn)了比研究人員在文獻中查找到的任何同類器件——包括他們此前工作中設(shè)計的一款——都更高的輸出功率、效率和增益。
這些結(jié)果表明，該技術(shù)可支持高功率雷達、空間通信和工業(yè)無人機等高要求應(yīng)用。
它還可用于數(shù)據(jù)中心電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的熱管理，從而提高能效。
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