300mm硅基氮化镓Chiplet技术会重构半导体生态吗？

在IEDM 2025上，英特尔首次展示了一种基于300mm硅基氮化镓工艺的氮化镓Chiplet技术。

 

它成功将业界最薄的19微米氮化镓Chiplet、卓越的高频功率性能，以及革命性的单片集成CMOS数字电路库融为一体。

 

图片来源  /   豆包

 

Part 1

产业需求的迫切呼唤：为何是氮化镓？为何是现在？

 

当前，数字化浪潮正以前所未有的速度席卷全球。数据中心需要处理指数级增长的计算负载，5G/6G网络必须承载海量数据传输，新能源汽车则追求极致的能量效率与续航里程。这些应用的共同核心驱动力，是对更高功率密度、更高运行频率和更高能效的永恒追求。

 

传统硅基半导体，在应对这些需求时已逐渐触及其材料物理属性的“天花板”——电子迁移率、击穿场强和热导率等关键指标难以再有质的飞跃。

 

氮化镓，作为一种宽禁带半导体材料，天生具备超越硅的卓越特性：其电子迁移率是硅的10倍以上，击穿场强高出近一个数量级，热导率也更优。这使得氮化镓器件能够在更高电压、更高频率和更高温度下工作，在高效功率转换和高速射频应用中长期被寄予厚望。

 

然而，过去氮化镓技术主要停留在分立器件或简单模块层面，高昂的成本、与主流硅基系统难以深度集成的痛点，制约了其大规模商业化进程。

 

英特尔此次的突破，正是直击这些核心痛点，通过300毫米大尺寸硅基衬底与先进的Chiplet异构集成范式，为氮化镓的普及扫清了关键障碍。

 

 

Part 2

核心技术突破

 

1、超薄Chiplet制造突破

该Chiplet的硅衬底厚度仅为19µm，源自于完全加工、减薄和单晶化的300mm硅基氮化镓晶圆，这一厚度和传统方案相比减少了60%以上，为三维集成提供了理想的基础。

 

在制造过程中采用了SDBG（研磨前隐形切割）技术，确保晶圆在减薄和切割的过程中能保持结构的完整性。通过化学机械抛光（CMP）工艺，表面粗糙度控制在纳米级别，为混合键合创造完美条件。

 

超薄设计使得硅通孔（TSV）的深宽比大幅降低，电阻损耗减少约40%，同时热阻下降35%，显著提升功率密度和散热能力。这种创新结构为多芯片集成提供了充足空间，允许在有限体积内实现更复杂的系统功能。

 

 

2、单片集成CMOS数字电路库

此项技术最具革命性的突破在于实现了GaN N-MOSHEMT与硅PMOS的单片集成，构建了完整的片上CMOS数字电路库。

 

通过层转移技术和统一工艺设计套件（PDK），成功在300mm硅基氮化镓晶圆上集成反相器、逻辑门、多路复用器、触发器和环形振荡器等基础数字电路。

 

测量数据显示，反相器的电压转换特性曲线展现出良好的噪声容限，NAND门和多路复用器在不同输入组合下均实现正确的逻辑功能。环形振荡器包含7213级反相器和214分频器，每级延迟为33ps±2ps（1σ），这一指标与先进硅基CMOS工艺相当。

 

这种集成能力使得氮化镓Chiplet能够独立完成驱动、控制和保护功能，减少对外部硅芯片的依赖，显著提升系统响应速度和可靠性。

 

3、卓越的电气性能表现

该氮化镓Chiplet展现出令人瞩目的晶体管性能指标。30nm栅长（LG）的GaN MOSHEMT晶体管实现导通电阻（RON）低于5mΩ·mm²，栅极和漏极漏电流均低于3pA/µm，在保证低功耗的同时维持优异开关特性。击穿电压（BVDS）达到78V@1µA/µm，满足中压应用需求。

 

更值得关注的是，功率优值（FoM=Ron·QGG）低至1mΩ·nC，比当前主流氮化镓器件提升约30%，这主要归功于优化的栅极设计和界面工程。

 

射频性能方面，30nm晶体管的截止频率（fT）和最大振荡频率（fMAX）分别达到212GHz和304GHz，使其在毫米波通信和光子学应用中具有巨大潜力。电流密度接近10A/mm²，且通过几何尺寸缩小有望进一步提升，为高功率应用奠定基础。

 

4、全面可靠性验证结果

为确保商业化应用的可行性，英特尔对300mm氮化镓MOSHEMT技术进行了严格的可靠性评估。时间相关介质击穿（TDDB）测试显示，栅极氧化层在90°C条件下预计10年寿命的故障率低于百万分之一，最大工作电压（Vmax）为1.84V，远低于p-GaN HEMT常见的5-6V栅极电压，驱动功耗降低约60%。

 

正偏压温度不稳定性（pBTI）研究中，阈值电压在应力下稳定在+0.43V，导通电阻增加21%后趋于饱和，表明栅极感应陷阱可通过老化过程达到稳定状态。

 

高温反向偏压（HTRB）测试中，器件在72V应力电压下导通电阻变化仅为+16%，漏电流保持稳定。热载流子注入（HCI）评估预测器件可在VD>15V、IDstr<0.1mA/µm条件下稳定工作10年以上。这些结果共同证明该技术满足工业级可靠性要求。

 

5、技术优势与创新价值

相比传统方案，英特尔的300mm硅基氮化镓Chiplet技术具有多重优势。首先，300mm晶圆尺寸使得单位成本降低30-40%，与传统硅基CMOS产线兼容大幅降低产业导入门槛。

 

其次，超薄Chiplet设计实现更紧凑的系统集成，功率密度提升至100W/mm³以上，为高端服务器和通信设备提供理想解决方案。

 

第三，单片集成CMOS功能减少芯片间互连，延迟降低50%，信号完整性显著改善。

 

第四，卓越的射频性能使其在5G基站和毫米波应用中具有独特优势，可支持超过100GHz的工作频率。

 

最后，可靠性指标达到汽车电子级别，拓宽了在新能源汽车和工业控制领域的应用前景。这些优势共同推动氮化镓技术从替代方案向首选方案转变。

 

Part 3

产业化路径与应用前景

 

基于当前技术成熟度，300mm硅基氮化镓Chiplet技术有望在2026-2027年实现小批量量产。初期应用将聚焦于数据中心服务器电源管理，特别是48V直流配电系统，可提升能效3-5个百分点。

 

随着5G/6G网络建设加速，该技术在基站功放模块中可替代传统砷化镓方案，成本降低20%的同时带宽提升一倍。新能源汽车领域，车载充电机（OBC）和直流变换器（DC-DC）是理想应用场景，预计可使系统体积减少30%，效率提升至98%以上。

 

长期来看，随着异质集成技术发展，氮化镓Chiplet可与硅光电子、MEMS传感器等融合，开创多功能集成系统新纪元。产业生态方面，英特尔正与关键客户合作定义接口标准，推动多源供应，降低产业链风险。

 

尽管前景光明，但通向大规模产业化的道路仍非坦途。首先，19微米超薄晶圆的加工、运输和封装需要全新的专用设备与工艺流程，前期投资成本高昂，产能爬升需要时间。

 

其次，氮化镓与硅材料热膨胀系数的差异，在极端温度循环下可能带来长期可靠性挑战，需要开发更先进的界面材料和封装方案。

 

此外，面向这种异构集成芯片的设计自动化工具链（EDA）和产业生态尚未成熟，需要芯片设计公司、代工厂和工具供应商的紧密协作。

 

展望未来，技术的发展将沿着几个关键方向深化：一是持续向更大尺寸晶圆（如8英寸）演进，进一步摊薄成本；二是将击穿电压向600V乃至更高电压平台扩展，进军工业电机驱动、光伏逆变等更广阔市场；三是探索与光学I/O的直接集成，最终打破“功率墙”和“通信墙”，构建超高速、低功耗的片上光电融合系统。

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