氮化镓3DIC混合集成开启半导体新纪元
过去十年，随着硅基集成电路逐渐逼近摩尔定律的物理极限，如何持续提升芯片性能、满足新兴应用对更高效率和更强算力的需求，成为全球半导体行业共同面临的挑战。为突破这一瓶颈，行业正在积极探寻新型半导体材料，或采用三维堆叠等创新结构，以提升芯片性能。
在这一技术变革浪潮中，一家获得长三角国家技术创新中心支持的科技企业，以第三代半导体材料氮化镓（GaN）为核心，结合3DIC异质混合集成技术，探索超越传统摩尔定律的新路径，开辟出具有潜力的业务增长赛道。
汉骅半导体有限公司是长三角国家技术创新中心首个以“拨投结合”模式支持的重大项目企业。公司创始人顾星指出，在宽禁带半导体领域，中国已从跟随者转变为与国际领先水平并跑的参与者。2024年10月，公司依托自主研发的“超越摩尔GaN Plus”平台，实现了8英寸硅基氮化镓MicroLED外延及多层堆叠技术的量产。
“产品正步入快速发展的轨道。我们在技术突破的同时，也必须在良率、重复性和可靠性方面持续优化。”顾星强调。
3DIC集成技术助力超越摩尔定律
第三代半导体材料如氮化镓和碳化硅具备高禁带宽度、高击穿电场、高热导率和高电子迁移率等特性。氮化镓的禁带宽度为3.4 eV，是硅的三倍以上，使其在高电压、高频率的应用场景中表现优异。此外，通过禁带调控，氮化镓还可覆盖蓝、绿、红等可见光波段，广泛适用于光电显示。
凭借在功率电子和光电子领域的突出性能，氮化镓已成为传统硅基材料的重要补充。它正在AI数据中心、微显示、光通信、高功率密度器件等多个领域不断拓展其应用边界。
氮化镓晶圆通常由衬底和外延层两部分组成。衬底作为支撑材料本身不具备电学性能，通过MOCVD设备在衬底上生长出功能性的氮化镓外延层，从而实现高热导率、高击穿电压等核心特性，并根据应用需求应用于MicroLED或功率器件。
汉骅半导体的技术团队致力于构建大尺寸硅基氮化镓材料生长平台，并通过化合物半导体与硅材料的混合集成，实现3DIC异构混合堆叠。通过将基于GaN的光电芯片与CMOS硅集成电路进行高密度集成，突破了传统芯片的性能限制。
2024年10月，汉骅半导体成功实现8英寸硅基GaN MicroLED外延及多层堆叠技术的IDM（设计制造一体化）量产。尽管氮化镓外延层仅有数微米厚度，但其内部结构层级复杂，多达上百级。通过优化缓冲层设计、精准控制量子阱结构，并减少晶格与热膨胀失配导致的缺陷，大幅提升了晶体质量，从而显著提高了发光效率和可靠性。
这种技术进步不仅优化了MicroLED的显示效果和稳定性，还显著降低了制造成本，为AR微显示市场注入了新活力。该平台的应用不仅限于氮化镓材料，其核心在于构建电路阵列，实现功能与驱动的快速整合，涵盖发光、测序、通信等多种材料体系。
平台支持芯片之间实现原子级的精确对接，能够灵活组合不同功能模块与驱动模块，同时通过紧密连接减少信号损耗，实现高度集成与微型化。
“我们还在探索CMOS与氮化镓功率芯片的集成，构建高效率的能源管理阵列芯片，这将为AI服务器提供最理想的支持。”顾星表示，“平台的创新为我们打开了更多可能性，推动器件性能突破传统边界，寻找新的增长机遇。”
