为什么要进行3D集成？异构集成技术支持下一代无线6G
inp （磷化铟）满足 6g 技术的要求。异构集成对于使 inp 走向成熟并将所有组件共同集成到一个完整的系统中至关重要。
面向未来几代移动通信的技术
每十年预示着新一代的移动通信。几代人以来，用户数量急剧增长，每个用户消耗的无线数据量都在不断增加。“一开始，我们很高兴能够发送短信；今天，我们已经进入了第 5 代 (5g)，拥有超过 10 亿人机和机器对机器连接，峰值数据速率为 10gbits/sec。5g也是一个拐点。因为除了需要更多数据和更高速度的更多连接之外，我们现在还必须考虑如何启用自动驾驶和全息存在等新用例。这一趋势将继续进入 6g，预计到 2030 年。我们预计峰值数据速率将超过 100gbits/sec、极端覆盖、无处不在的连接等等，” imec连接研发副总裁michael peeters 说。
磷化铟在高频下提供功率和效率
为了实现这些非常高的数据速率，电信行业一直在提高频率。6g 的愿景是解决 100ghz 以上的频率——从 140ghz 左右的 d 波段开始将得到解决。michael peeters：“我们认为 100ghz 以上的最大挑战是以足够高的效率产生足够的功率。对于 cmos 和 sige 放大器，d 波段的饱和输出功率不超过 15dbm，效率通常低于 10%，这非常低，因为像 64-qam 这样的流行调制方案需要运行超过 6db低于该饱和输出功率。效率也随输出功率下降超过线性。磷化铟 (inp) 是这些频率的冠军，输出功率超过 20dbm，效率范围为 20% 到 30%。inp 可以在所需的高频下提供性能。尤其是当占地面积受到限制并且只能容纳有限数量的天线时，inp 会率先在更小两倍的足迹下将功耗降低两倍。”
inp 的功耗低两倍，占地面积小两倍。来自 claude desset 等人，globecom 研讨会 2021。
使 inp 技术走向成熟
创建能够处理高频的 inp 晶体管（hbt，异质结双极晶体管）首先需要成熟且具有成本效益的 inp 技术，其次需要一种将基于 inp 的组件与基于硅的组件共同集成到完整系统中的方法. 对于这两个挑战，诸如 inp 之类的 iii-v 材料与 cmos 的异质集成是关键。毕竟，校准、控制、波束形成和转换器仍然需要 cmos。
如今，inp 技术采用小型衬底晶圆（100ghz 的情况，两种集成方案之间存在一些共同的挑战。首先，它们都依赖于具有低于 100µm 的精细通孔或微凸块间距。其次，它们应该容纳大量用于路由（rf、dc、if 和数字）信号的连接。最后，迹线和空间尺寸都需要远小于 50µm（最好在 5-10um 范围内）。但也有区别。在 2/2.5d 集成的情况下，iii-v 位于 cmos 芯片旁边，从而实现更好的热管理，因为两个芯片都可以与散热器直接接触。缺点是对于某些应用程序，占地面积可能需要在 1 维中放宽，并且此架构仅允许 1d 光束控制。另一方面，3d 集成 允许将所有芯片和电路安装在天线下方，并启用 2d 波束控制，将信号引导穿过半球。2d 波束控制对于 5g 及更高版本的应用来说是必要的，以最大限度地减少穿透损耗并增加所需高频的覆盖范围。最后，热管理更具挑战性。当然，3d 集成是一种更复杂的方法，具有独特的处理挑战。
（左）2/2.5d 集成使用硅中介层将 iii-v 族与硅芯片连接起来。（右）3d 集成，将 iii-v 芯片堆叠到硅上，然后将它们连接到天线；在这种情况下，天线也集成在 si 中介层中。
系统技术协同优化引领潮流
选择哪种集成和打包解决方案最终取决于用例或应用程序。“由于可供选择的选项太多，imec 推出了一项新的 stco（系统技术协同优化）计划，以指导甚至在系统级别的技术选择。stco 方法使用来自架构和应用约束的输入，同时考虑信号损耗、带宽、散热、机械稳定性和成本评估。我们将不得不综合考虑所有这些参数来设计和制造第 6 代设备，”michael peeters 总结道。
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如今，inp 技术采用小型衬底晶圆（100ghz 的情况，两种集成方案之间存在一些共同的挑战。首先，它们都依赖于具有低于 100µm 的精细通孔或微凸块间距。其次，它们应该容纳大量用于路由（rf、dc、if 和数字）信号的连接。最后，迹线和空间尺寸都需要远小于 50µm（最好在 5-10um 范围内）。但也有区别。在 2/2.5d 集成的情况下，iii-v 位于 cmos 芯片旁边，从而实现更好的热管理，因为两个芯片都可以与散热器直接接触。缺点是对于某些应用程序，占地面积可能需要在 1 维中放宽，并且此架构仅允许 1d 光束控制。另一方面，3d 集成 允许将所有芯片和电路安装在天线下方，并启用 2d 波束控制，将信号引导穿过半球。2d 波束控制对于 5g 及更高版本的应用来说是必要的，以最大限度地减少穿透损耗并增加所需高频的覆盖范围。最后，热管理更具挑战性。当然，3d 集成是一种更复杂的方法，具有独特的处理挑战。
（左）2/2.5d 集成使用硅中介层将 iii-v 族与硅芯片连接起来。（右）3d 集成，将 iii-v 芯片堆叠到硅上，然后将它们连接到天线；在这种情况下，天线也集成在 si 中介层中。
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