在追求更高频段和更大带宽的无线通信领域，氮化镓（GaN）材料因其优异的高频和高功率特性，成为6G通信、卫星互联网（Satcoms）以及高性能雷达系统的核心半导体材料。随着设备功率密度的急剧增加，局部热点导致的可靠性下降和性能衰减一直是制约其大规模商业应用的关键瓶颈。近期，麻省理工学院（MIT）联合其他研究机构的一项突破性进展为这一难题提供了全新解决方案：研究团队成功将氮化镓晶体管嵌入超薄单晶钻石层中，利用钻石极高的热导率实现高效散热，从而在保持高可靠性的前提下，使器件性能接近理论峰值。
异质集成系统的散热痛点与钻石方案
当前，为了构建更快、更节能的电子设备，行业正广泛探索异质集成系统。这种技术通过将多种具有不同优势的材料堆叠在同一封装内，以发挥各自的性能。例如，麻省理工学院此前曾尝试将氮化镓堆叠在硅或玻璃之上，以制造高性能芯片。但在异质集成芯片中，不同材料的工作温度存在差异，这种热失配会严重降低电子设备的整体可靠性。
“如果我们能引入一种能够管理热量、使氮化镓和硅保持相同温度的材料，那么整个三维芯片的可靠性将得到显著提升。”麻省理工学院电气工程和计算机科学（EECS）研究生、该论文的主要作者普拉迪奥特·亚达夫（Pradyot Yadav）指出，“而实现这一目标的材料是钻石。”
研究团队采用的是实验室培育的珠宝级单晶钻石。钻石拥有已知材料中最高的热导率，能够迅速将热量从晶体管扩散出去。随着生长工艺的进步，单晶钻石晶圆的大幅成本降低，使其在计算机芯片中的应用变得更具可行性。以往科学家尝试在氮化镓晶体管上方直接生长超薄单晶钻石层以管理热量，这一过程难以规模化，且会在芯片中引入不必要的寄生电容。这些电容会存储电路中的能量，导致能量偏离晶体管，从而减缓其操作速度。
颠覆性工艺：嵌入式互连片技术
针对上述问题，麻省理工学院团队开发了一种完全不同的方法，旨在消除这些不需要的电容效应。他们并未在晶体管上方生长钻石，而是将极微小的氮化镓晶体管（称为“介子”或dielets）嵌入由单晶钻石制成的超薄互连片（interposer）或基板中。这种钻石层不仅均匀分布和管理热量，使氮化镓和硅在同一温度下运行，还避免了寄生电容带来的性能损耗。
“通过将氮化镓晶体管放入钻石互连片中，我们实际上改善了器件的性能，而不是像以往那样造成退化。我们实现了两者的优势互补。”亚达夫表示。这一工艺的核心在于界面的处理。研究团队使用超快飞秒激光从晶圆上切割出制备好的氮化镓介子，随后在钻石基板上钻出尺寸的腔体。他们在腔底放置厚度仅为20微米的导热粘接膜，并将介子置于其上。
一旦介子就位，团队施加热量和压力，使其与薄膜和钻石基板模具成型。“这个界面至关重要。如果导热粘接膜没有放置得当，通过钻石流向氮化镓晶体管的热流将不足以有效散热。表面必须非常光滑且洁净。”亚达夫强调。随后，研究团队在氮化镓和钻石上方堆叠额外的介电层和金属层，构建出完整的工作电路。
性能突破与应用前景
利用这一技术，研究团队制造了一款用于无线通信的功率放大器。测试结果显示，该放大器的输出功率、效率和增益均优于文献中报道的任何类似放大器，包括他们此前设计的放大器版本。功率放大器被视为无线设备前端的核心“心脏”，其性能直接决定了整个通信系统的表现。“我们的放大器足够强大，足以确保信号传播数英里远。”亚达夫说道。
这一成果展示了该技术在高压雷达、空间通信和工业无人机等高要求应用中的巨大潜力。该技术还可用于数据中心内部进行功率转换系统的热管理，从而提升能源效率。亚达夫希望其他研究人员能在此基础上开发更复杂的异质集成系统，为下一代电子产品的可能性打开大门。
这项题为《面向6G FR3应用的单晶钻石互连片中含GaN-on-Si介子的4W异构功率放大器》的研究成果，已在IEEE国际微波研讨会（IMS）旗下的射频集成电路研讨会（RFIC Symposium）上展出。对于中国半导体行业而言，这一技术路径表明，在追求摩尔定律放缓后的性能提升时，先进封装与材料科学的深度融合将成为关键突破口。国内企业在氮化镓制造方面已具备一定基础，未来若能借鉴此类异质集成思路，特别是在热管理材料的创新应用上，有望在6G前端器件领域实现弯道超车。