中国粉体网讯 当前，构成绝大多数芯片基底的硅材料，在功率承载能力上存在固有局限，难以满足未来高速无线通信对性能和能效的要求。相比之下，氮化镓具有更高的功率密度和工作频率，被视为6G通信、高功率雷达和卫星通信的重要候选材料。但即便是性能最优的晶体管，大部分电能依旧会转化为热量。当在硅芯片的极小区域内集成更多氮化镓晶体管时，局部高温区会降低器件可靠性，同时拖累整体性能。
在异构集成芯片中，不同材料的工作温度存在差异，会直接影响电子设备的使用寿命与稳定性。若加入一种材料来管理热量，使氮化镓和硅处于相同的温度，那么整个3D芯片的可靠性将得到提升。最理想的材料便是金刚石，单晶金刚石是目前已知热导率最高的材料，理论热导率可达2400 W/(m·K)。
此前，通常在氮化镓晶体管表面直接生长超薄金刚石层，但这种方法难以大规模制造，而且会产生寄生电容，降低器件运行速度。如何在保障器件性能的前提下实现高效散热与工艺兼容，成为制约氮化镓射频器件落地的核心难题。
方案革新：金刚石中介层嵌入式集成散热技术
近期，美国麻省理工学院及其他机构联合组成的研究团队另辟蹊径，他们将极其微小的氮化镓晶体管嵌入到由单晶金刚石制成的超薄中介层（即基板）中。这层金刚石负责传导和分散热量，使氮化镓和硅在相同温度下工作，同时不会产生不必要的电容。团队利用飞秒激光从氮化镓晶圆中切割出微型芯粒，并将其嵌入预先加工好的单晶金刚石基底微腔中，再通过仅20微米厚的导热薄膜实现高效热传导。
单晶金刚石中介层中GaN异质集成的路线图
经测试，在10 GHz测试条件下，搭载金刚石中介层后，输出功率提升1.8 dB，最大功率附加效率提升1.5%，增益提升0.3 dB，功率曲线更加平稳，散热与稳定性改善效果显著。
成果落地：高性能功率器件实现应用突破
在上述基础上，团队制备出无线系统关键器件，即功率放大器。功率放大器将小电信号转换为较大的信号，从而实现长距离传输。测试结果显示，其输出功率、效率和增益均超过已知同类器件。
采用单晶金刚石中介层嵌入GaN-on-Si介质层的异质功率放大器
“功率放大器是无线设备前端的核心。其性能将决定整个通信系统的性能。我们的放大器足够强大，可以确保信号能传播数英里。“该研究成果的第一作者Pradyot Yadav说。该放大器可应用于高功率雷达、空间通信以及工业无人机等领域，同时也能为数据中心的电能转换设备解决散热难题，进一步提升能源利用率。
小结
此项研究突破了高功率无线芯片散热瓶颈，并制备出性能创纪录的无线功率放大器，为6G通信、卫星互联网等高功率电子设备提供了新的芯片级热管理方案。下一阶段团队将侧重于优化电路拓扑结构，并致力于缩减芯片整体面积。
参考来源：
[1]财联社、MIT News
[2]文献：Pradyot Yadav, Xingchen Li, Danish A. Baig, Ruonan Han, Madhavan Swaminathan, Tomás Palacios. A 4 W Heterogeneous Power Amplifier with GaN-on-Si Dielets in Single-Crystal Diamond Interposer for 6G FR3 Applications.
（中国粉体网编辑整理/石语）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
