麻省理工學院及其他機構的研究人員開發了一種芯片製造技術，能夠幫助未來的無線系統變得更快、更強大及更節能。該團隊將氮化鎵晶體管嵌入超薄的鑽石層中，使鑽石能夠在芯片中作為熱擴散器。這種方法有助於在設備內部實現温度的均衡，讓晶體管在不降低可靠性的情況下接近其峯值性能。
氮化鎵（GaN）被認為是對於要求苛刻的無線應用（如 6G 和衞星通信）的硅材料的有前景替代品。硅是大多數計算機芯片的基礎，但在管理功率方面存在根本性限制。相比之下，GaN 可以處理更高的速度和能量水平，然而熱量仍然是一個主要障礙。隨著越來越多的 GaN 晶體管被集成到硅芯片的更小區域內，局部的熱點會影響可靠性並妨礙性能。新的基於鑽石的方法旨在解決這一瓶頸。
該項目的一位主要作者普拉迪約特·雅達夫（Pradyot Yadav）表示：「沒有任何單一材料能夠在無線設備中完美運作，因此這些三維異質集成系統將會持續存在。剩下的關鍵挑戰是可靠性和熱管理，我們或許已經解鎖了使這些系統能夠大規模和高產運行的最後一步。」
多材料芯片設計可提升無線系統性能
這項工作基於異質集成系統，將多種材料堆疊到一個封裝中，以利用每種材料的優勢。麻省理工學院的研究人員之前曾將 GaN 堆疊在硅和玻璃上，以創造更高性能的芯片。然而，在這種芯片中，每種材料可以在不同的温度下運作，這會影響其可靠性。研究人員使用了實驗室培育的珠寶級鑽石。鑽石是已知材料中熱導率最高的，單晶鑽石晶片生長的進展使其在芯片中的使用變得更為可行。
之前的研究涉及在 GaN 晶體管上生長超薄的鑽石層，但這一過程難以擴展，且可能引入不必要的電容，從而減慢電路運作。相反，麻省理工學院領導的團隊將微小的 GaN 晶體管（稱為 dielets）嵌入超薄的單晶鑽石中介層中。
雅達夫表示：「通過將這些 GaN 晶體管嵌入鑽石中介層中，我們實際上能夠提高設備的性能，而不是降低它。我們可以兼得兩者的優勢。」該過程從使用飛秒激光從晶圓上切割 GaN dielets 開始，並在鑽石基板上鑽孔以形成精確的腔體。在每個腔體的底部放置 20 微米的晶片粘合膜，然後再添加 dielet。
GaN 芯片的新基準
隨後，團隊在 GaN 和鑽石上堆疊介電層和金屬層，以創造一個工作電路。利用這種方法，研究人員為無線通信構建了一個功率放大器。該放大器的輸出功率、效率和增益均超過了他們在文獻中發現的任何類似設備，包括他們在之前工作中設計的設備。結果顯示，這一技術能夠支持高功率雷達、太空通信和工業無人機等要求苛刻的應用。它還可用於管理數據中心中轉換功率的系統的熱量，從而提高能效。
