6月8日，MIT News发布研究报道称，麻省理工学院及合作机构的研究团队将氮化镓晶体管嵌入到单晶金刚石超薄中介层中，成功解决了高功率芯片过热以及传统工艺产生寄生电容的难题。研究团队运用该技术研制出一款功率放大器，其性能超越了文献中所有同类器件。

MIT News在报道中指出：“构成大多数计算机芯片基础的硅材料在功率管理能力上存在根本性局限，这制约了无线通信系统的速度和能效。”作为先进半导体材料的氮化镓，能够满足6G、卫星通信等高端无线应用对速率与功耗的严苛要求，是打造新一代无线电子设备的优选方向。“一种有前景的解决方案是使用氮化镓晶体管来构建未来的无线电子设备。氮化镓是一种先进材料，能够处理6G和卫星通信等苛刻无线应用所需的速度和能量。”

技术瓶颈：高性能氮化镓的热管理之困

报道明确指出，即便采用顶级晶体管，工作过程中大部分能量仍会转化为热能。“但即使在最好的晶体管中，仍有很大一部分能量会变成热量。随着研究人员将更多氮化镓晶体管封装到硅芯片上的更小区域内，局部热点会降低可靠性并阻碍性能。”随着芯片内集成的氮化镓晶体管密度不断提升，形成的局部热点会降低设备可靠性、拖累整体运行性能。

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。“如果我们能够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。最好的材料是金刚石。”论文第一作者Pradyot Yadav解释称。

核心突破：嵌入金刚石中介层，消除寄生电容

MIT联合团队开辟了全新技术路线。报道详细描述了这一方法：“麻省理工学院的研究人员开发了一种完全不同的方法，可以减少这些不希望的电容效应。他们将极其微小的氮化镓晶体管（称为dielet）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。”

Yadav表示：“通过将这些氮化镓晶体管放入金刚石中介层，我们实际上能够提高器件的性能，而不是降低性能。我们可以两全其美。”

在制造工艺层面，报道披露了具体实现方法：“制造过程首先使用飞秒激光从晶圆上切割出制备好的氮化镓dielet。研究人员用激光在金刚石基板上钻出精确尺寸的空腔。”随后，团队在腔体底部放置厚度仅20微米的芯片贴附薄膜，将dielet置于薄膜上方，通过加热加压完成塑形。“这个界面是关键。如果你没有把热贴附薄膜放在恰到好处的位置，那么热量通过金刚石流向氮化镓晶体管的效果就不够好。所以你确实需要一个非常光滑、清洁的表面。”

性能验证：功率放大器性能超越文献纪录

研究团队运用该技术制造出一款功率放大器，这是无线系统的关键核心模块。报道称，功率放大器将小的电信号转换为可以远距离传输的大信号。“功率放大器是无线设备前端的心脏。它的性能将决定整个通信系统的性能。放大器足够强大，可以确保信号传播数英里。”

这一放大器的性能全面超越了已知的同类器件。“他们开发的放大器实现了比研究人员所知的任何类似器件——包括他们之前工作中设计的一款放大器——更高的输出功率、效率和增益。”报道特别指出，整套制造工艺虽然极其精密，但具备了商业化量产的条件。“虽然他们的制造技术非常精确，需要集成不同的材料系统，但它可以达到商业应用所需的规模。”

在产业意义层面，报道强调该技术可应用于高功率雷达、空间通信、工业无人机以及数据中心电源转换等领域。“这些结果表明，他们的技术非常适合高功率雷达、空间通信和工业无人机等苛刻应用。它还可用于管理数据中心内部进行功率转换的系统的热量，提高能效。”

展望未来，Yadav表示：“当我开始攻读博士学位时，我们怀疑这件事是否真的可行。它看起来像科幻小说。现在我们展示了所有这些系统，其性能超过了当今市场上任何已有的东西。氮化镓和三维异构系统将站在众多未来应用的最前沿。知道我们为此做出了一点贡献，这是非常有意义的。”

联盟解读

这项研究在散热路径上提供了一个不同于以往的工程方案。传统在氮化镓器件上方直接生长金刚石层的方案，虽然导热路径短，但会产生寄生电容且难以规模化。MIT团队将dielet嵌入金刚石中介层，把热管理功能从“器件生长层”转移到“封装互连层”，在保持散热效率的同时规避了寄生电容问题，且整套工艺具备了商业化量产的条件。该项研究成果已在IEEE国际微波研讨会下属的射频集成电路研讨会上正式发布。

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