隨著 5G、6G 通訊與人工智慧運算快速發展，對電子元件的效能與能效要求越來越高。傳統矽材料雖然成熟且成本低廉，但在高頻與高功率應用中逐漸顯露瓶頸。氮化鎵GaN憑藉其高速與高效率特性，被視為下一代關鍵半導體材料，卻因製程昂貴與整合困難，長期受限於商業化進程。近期，麻省理工學院研究團隊提出一種全新的低成本製造方法，成功將 GaN 電晶體與標準矽 CMOS 晶片完美結合，為高速通訊與先進運算技術開啟全新可能。
目錄
氮化鎵的重要性與挑戰
氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）被譽為僅次於矽的第二熱門半導體材料，憑藉其高效率與高速特性，廣泛應用於照明、雷達系統、電力電子與先進通訊設備。然而，將 GaN 高性能電晶體整合至傳統矽 CMOS 晶片卻長期面臨成本與工藝上的瓶頸。傳統焊接方法限制了 GaN 電晶體的縮小與性能發揮，而整片 GaN 晶片的整合則造成巨額成本浪費，使其商業化進程受阻。
MIT的創新解方：3D積層技術
MIT 團隊提出的創新方法，突破了以往「整片轉移」或「焊接黏合」的限制，採用 低成本、可擴展的三維積層技術（3D Integration）。其核心概念是將 GaN 功能切割成許多「微型電晶體單元」，再將其分散配置於矽晶片上。
這種「模組化整合」策略，避免了傳統製程中大量 GaN 材料的浪費，也讓 GaN 僅在最需要的關鍵元件中發揮作用。由於 GaN 單元的面積極小，整合過程中的應力、溫度需求與成本都大幅下降，使技術更容易規模化量產。
同時，這種三維積層方式還兼容現有半導體代工流程，無需大幅修改生產線設備，降低了導入難度。這意味著，該技術不僅可推動學術研究，也能實際進入商業化應用，為 5G、6G 甚至量子運算等領域鋪路。
製程細節：微型電晶體與低溫鍵合
該方法首先在 GaN 晶片上建構大量微型電晶體，並以雷射切割成約 240 x 410 微米大小的「小晶片（dielet）」。每個小晶片頂部設計有銅柱，可在低於攝氏 400 度的環境下，與矽晶片表面的銅柱直接鍵合。相較於傳統依賴昂貴且高溫的金製程，銅的應用降低了成本、應力與污染風險，同時提升導電效率。
系統效能提升與散熱優勢
這項整合方式的另一大優勢，是 GaN 電路由分散在矽晶片上的離散電晶體組成，能有效降低系統整體溫度。研究人員利用此方法開發出功率放大器，展現出比矽電晶體更高的訊號強度與效率。在智慧型手機應用中，這代表更佳的通話品質、更寬的無線頻寬、更穩定的連接，以及更長的電池續航力。
對半導體產業的影響
由於該方法與標準半導體代工製程兼容，未來能直接應用於現有電子產品與下一代技術開發。這不僅有望加速 5G 與 6G 的通訊部署，也可能推動量子計算、人工智慧加速器以及資料中心的節能升級。IBM 研究科學家更指出，這種異質整合路徑正是應對摩爾定律放緩的重要解方，能實現持續系統微縮與功率效率優化。
展望未來
麻省理工學院研究生 Pradyot Yadav 表示：「我們成功將矽的成熟製程與 GaN 的高效能特性結合，這些混合晶片有潛力徹底改變許多產業。」這項研究已在 IEEE 射頻積體電路研討會上展示，未來隨著工藝成熟，GaN 與矽的異質整合技術勢必將推動高速、節能電子裝置的普及。
資料來源:
- 新型 3D 晶片製造技術，使電子產品更快、更節能
- ew 3D chips could make electronics faster and more energy-efficient
(首圖來源:麻省理工學院)
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