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科技前沿 | Research Review

氮化物和砷化物与硅 CMOS 的集成

晶圆键合技术可在一个 200 毫米直径的硅晶圆上将 GaAs 层、GaN 层和硅 CMOS 集成为一体。

美 国 -- 新加坡合作研究团队 晶圆 ：一种是作为载体的硅晶
圆，一种是具有绝缘体上硅结
为不同半导体材料的集成
确立了一个新的基准，它们在 构的晶圆，一种是具有 GaAs /
200 毫米硅衬底上通过晶圆键合 Ge /Si 移植层的硅晶圆，以及一
技术将 GaAs、GaN 和硅 CMOS 种 GaN/Si 晶 圆。SOI GaAs/Ge/
芯片集成为一个整体。 GaN/Si 叠层结构的形成需要一
以前，由新加坡和美国 MIT 系列七个工艺步骤 ：包括三个键
研究和技术联盟曾将硅 CMOS 合步骤，移除硅衬底，移植硅晶
与 GaAs/Si 或 GaN/Si 在 200mm 圆的释放，以及硅载体晶圆的释
晶圆上实现了集成，而目前美 放等（见图）。
国 -- 新加坡合作团队的这一工作 该团队采用红外相机来评估
超越了它的最佳技术水准。 这种多材质晶圆的界面质量，观
论文第一作者 Kwang Hong 测发现在晶圆表面存在着由颗粒
Lee 描述了该项工作在最近出现 引起的键合不良区域。
的突破，其最大意义是能在一个 根据 Lee 的说法，颗粒问题
硅 CMOS 设计平台上实现把不 在研究环境中要比代工厂环境更
新加坡-MIT研究和技术联盟的工程师采用一个三重键合层的传输工艺来
同材料的最佳功能进行结合和 制造晶圆，它是在200毫米硅晶圆将GaN、GaAs和硅CMOS实现了结合。 容易出现 ：“现代的晶圆键合设
集成。 备可以通过减少人工处理、清洁
Lee 声称 ：“因此，高频 InGaAs 该研究团队采用了晶圆圆键合方 环境的控制和原位清洗来将微粒问题
HEMT、大功率 GaN 放大器和廉价硅 法来来实现不同材料的接合，相对于 降低达到最小化”。
数字控制电路就可以在一个单一的技 直接外延生长方式有着以下主要优势 ： 在该团队制作的晶圆中，距其表
术平台上实现集成”。 它可以在室温下进行，这可以防止 面几个微米的深处有着一个厚度约为
将这这些不同材料集成在一个单 CMOS 晶体管的性能退化，因为 GaN 500 nm 的 GaAs 和 GaN 埋层。所有这
一的技术平台上有着以下四个方面的 外延生长的温度通常为 1350℃，以及 些薄层的厚度都可以变化，Lee 声称，
优点 ：在电路板级层面上可以减少封 砷化物和磷化物的外延生长温度是在 在原则上键合介质层可以薄至 100nm。
装器件的数量，可以形成单片射频模 650℃。 该团队的未来一个工作计划是对
块的前级 ；由于它能使得芯片具有更 Lee 和她得同事们采用了等离子 他们的工艺过程的顺序进行变换，即
小的尺寸，可大幅都降低功耗，能降 激活熔合方法来使晶圆键合在一起， 是首先是在 III-V/Si 晶圆上制作器件，
低 5G 无线通信产品的开发成本 ；还采 这个工艺可以在常压下进行，并能与 然后经光刻对准机后键合晶圆。“除了
用了如包络线跟踪（envelope tracking） CMOS 的加工过程相兼容，并且它对 用这种方式来进行器件的集成以外”，
等新的集成电路设计技术。 热膨胀系数的不匹配有着较高的容忍 Lee 说道，“我们还将尝试将电池、太
Lee 说道 ：“此外，采用无磷材料 性。更为重要的是，它适合在晶圆代 阳能电池单元和其他电子器件进行集
的全色彩主动显示矩阵也可以通过结 工厂中使用，因为它只涉及到几个低 成，以在通用的硅技术平台上来实现
合使用 InGaP LED，InGaN LED 和硅 成本的工艺步骤，这些工艺步骤如今 制作一个完整的电子系统”。
CMOS 驱动电路来得以实现”。这些显 以已经广泛地应用于硅上绝缘体晶圆
示矩阵将照明和以光为基础的通信技术 的生产中。 K. H. Lee et. al. Appl. Phys.
相结合，有望在智能照明中得到应用， 要形成多种材质组成的混合型晶 Express 9 086501 (2016)
它们还可用于可穿戴设备的生产中。 圆，研究团队总共准备了四套不同的

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2016年第4期 25