改变未来游戏规则，英特尔展示GaN新技术

作者: 付斌

众所周知，英特尔的数字芯片引领着行业发展，但其实，这家巨头背后也非常重视处理器的供电能力。要知道，处理器能否发挥真正的性能，不止在于器件本身，而在于整个系统。

英特尔很早以前，就看好氮化镓（GaN）在功率器件中的应用。一方面，是投资相关的企业，比如英特尔曾在2014年9月领投 GaN功率器件企业Avogy的4000万美元B轮融资。另一方面，是自身不断研究，英特尔在GaN上，全球都有专利布局，其中在美国和中国台湾分别有17项和20项专利正在申请中，涉及用于SoC的III-N晶体管、RF开关、超短沟道长度、场板和III-N/ 硅单片集成电路。

去年，IEDM2022上，英特尔为打造300毫米硅基氮化镓晶圆开辟了一条可行的路径，从而让世界离超越5G和电源能效问题的解决更进一步。英特尔在这一领域所取得的突破，实现了比行业标准高20倍的增益，并在高性能供电指标上打破了行业记录

今年，英特尔继续发力GaN，在IEDM2023上，发表题为《DrGaN：采用E模式GaN MOSHEMT和三维单片硅 PMOS的300mm硅基GaN功率开关集成CMOS驱动器技术》（DrGaN : an Integrated CMOS Driver GaN Power Switch Technology on 300mm GaN on Silicon with E mode GaN MOSHEMT and 3D Monolithic Si PMOS）的论文。

2004年，英特尔提出了第一个DrMOS的概念，即CMOS驱动器与硅功率器件集成。这一想法最终成为向个人电脑和数据中心供电的行业标准，如今，DrMOS无处不在。

为什么要将驱动器和功率器件集成在一起呢？因为这种集成提供了更高密度的解决方案，具有极低的寄生参数，因此可以让半导体行业使用硅晶体管实现更好的供电解决方案。

所谓DrGaN则与DrMOS有异曲同工之妙，就是将GaN和硅基CMOS集成在一起，利用“层转移”工艺，在300毫米硅晶圆上完成全部的大规模的3D单片工艺。

为什么要使用GaN？一方面，GaN的宽带隙和巴利加优值优秀，能够在高频和高功率下工作，由于其宽带隙，它的临界击穿场至少是GaAs和硅的十倍，使得GaN晶体管可以缩小到更小的长度，从而获得更高的性能；另一方面，GaN的自发极化效应和压电极化效应，使得在GaN和相关三元合金界面处的GaN沟道中产生二维电子气，而不需要杂质掺杂。

具体而言，英特尔使用的器件结构是MOSHEMT，因此，它实际上是氮化镓HEMT的组合。利用2D电子气中的高电子迁移率，以及器件结构中的量子阱来发挥优势。栅极和沟道区域就是英特尔使用High-K（高K）氧化物栅介质的地方。使用High-K介电质的原因在于其微缩优势。正如从摩尔定律的微缩中了解到的那样，High-K介电质确实在硅CMOS晶体管微缩上存在优势，使英特尔能够在氮化镓MOS方面实现非常高的性能。

需要强调的是，DrGaN与其他"单芯片氮化镓集成电路（氮化镓+硅驱动器）"的最大区别在于其它单芯片氮化镓集成电路会有增强模式或耗尽模式，因此实际上还不是CMOS，这意味着它会不断地泄漏电力，主要体现在效率和泄漏的解决方案比较中。

此外，英特尔并未使用p-GaN方法实现增强型氮化镓，英特尔的方法是将栅极区域加工呈MOS，这意味着在通道区域不使用典型的极化电荷诱导层，这些层诱导通道中电荷的形成。

这项技术极具前景，因为它具备改变游戏规则的能力。许多令人兴奋的机遇摆在面前，包括高效、高性能射频和电力传输与标准硅基处理器的全面集成。这种技术有潜力满足 5G 及更高版本的下一代移动设备、数据基础设施和通信网络的需求。