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系统、高性能、多级集成的氮化镓基互补型逻辑电路

2021-12-16

香港科技大学陈敬教授课题组成功研发了一系列高性能氮化镓(GaN)基互补型逻辑电路,并首次实现了多级逻辑门的单片集成。该工作为方兴未艾的GaN基电子学引入重要的新成员,从而显著拓展了该领域的疆界。该工作于2021年7月以“氮化镓基互补型逻辑集成电路”(Gallium nitride-based complementary logic integrated circuits)为题发表于《自然·电子学》(Nature Electronics)。

GaN电子器件已历逾25年的研发,开始快速商业化。因其高速、高功率密度的优势,在5G无线通信基站、移动设备小型快速充电器、激光雷达等场景中得到广泛应用。不久的将来,GaN基功率转换、电源管理系统有望服务于诸多新兴应用,如数据中心、无人驾驶、电动汽车、无人机、机器人等。这些应用对电能供应与供电模块的紧凑性要求均高,这恰是GaN功率电子产品相对于传统硅基产品的优势所在。为充分发掘GaN的潜能,构建更为智能、稳定、可靠的电源系统,学界与业界在过去十余年间一直致力于探索、开发合适的技术平台以实现功率开关与各外围功能模块的高度集成。其中,逻辑电路在外围电路中广泛存在,是实现电源管理系统智能化的关键。

硅基微电子与集成电路的研发经验表明,互补型逻辑电路是制备大规模集成电路的最优拓扑。互补(C),意味着电路由两种具有相反控制逻辑的晶体管组成,一种拥有n型导电沟道,另一种则是p型沟道。因为主流硅基互补型电路中的晶体管栅极为金属(M)- 氧化物(O)- 半导体(S)结构,所以该拓扑更广为人知的名称是“CMOS”。这样的拓扑带来诸多好处,其中最突出的是其极低的静态功耗。因为控制逻辑相反,所以在任何一个逻辑状态下,总有一类器件处于关断状态,从而有效阻断电流、显著降低功耗。然而,由于高性能p沟道GaN晶体管不易制备,与n沟道器件的集成亦困难重重, GaN基互补型逻辑电路的研发进展缓慢。

图1. 基于氧等离子处理(OPT)技术在商用p型栅GaN HEMT平台上制备的高性能p沟道器件:(a) 器件剖面图;(b) 能带图;(c) 转移特性;(d) 输出特性。

该团队基于GaN功率应用的商用平台,开发新型技术方案,有效解决了实现p沟道器件的一个关键问题:p沟道迁移率与实现器件增强型操作之间的折中。该团队自主研发了一种氧等离子体处理(OPT)技术,以此为基础制备了一种具有“埋层沟道”的新型p沟道GaN晶体管,在一系列构建互补型逻辑电路所需的关键性能之间取得了良好的平衡:包括实现增强型操作、高开关电流比、高电流驱动能力(图1)。在此基础上,该团队进一步开发同片集成技术,构建GaN基互补型逻辑电路(图2)。

图2. 单片集成的GaN互补型逻辑环形振荡器(电路显微照片)以及其中一级互补型逻辑反相器(示意图)。

该团队首次以互补型电路拓扑实现了基于GaN的一系列基本逻辑门电路,包括反相器、与非门、或非门、传输门(图3)。以反相器为例,该工作中的逻辑门展现出理想的“类CMOS”特性,包括轨到轨输出、自适应且适宜的逻辑翻转阈值、高噪声容限、显著抑制的静态功耗、优异的高温特性(图4)。该团队更进一步展示了工作在准兆赫兹频率的多级集成逻辑电路(图4)。

图3. 同片集成的GaN互补型逻辑门(自上而下:反相器、与非门、或非门、传输门;自左而右:电路显微照片、电路示意图、工作波形)。

图4. (a-d) 互补型GaN逻辑反相器的特性:(a) 不同工作电压下的电压输出转移特性;(b) 不同工作电压与输入电压下的功耗;(c) 5 V工作电压下的噪声容限;(d) 高温特性。(e-f) 由15级上述反相器构成的环形振荡器:(e) 电路示意图;(f) 振荡波形与功率谱。

因为所有的基本单元都已具备,且可以实现有效级联,所以理论上所有的GaN基互补型逻辑电路都可以实现。电路设计者可以开始搭建更加强大、精巧、复杂的GaN集成电路,包括但不限于:1)具有更先进的片上控制、传感、保护、驱动能力的高效节能的功率集成电路;2)极端环境下(如汽车与航空系统)的计算与控制电路。在不远的未来,因为GaN作为宽禁带半导体的优异性能,基于GaN的计算芯片或可实现并在特定场景中发挥作用,例如用于诸如行星探索甚至深空探索等关键任务。

该工作第一作者为香港科技大学电子与计算机系的郑柘炀博士,通讯作者为陈敬教授;器件与电路制备依托香港科技大学纳米系统制备实验所(NFF);为香港研资局的研究影响基金(Research Impact Fund)所支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00611-y

 

 

 

 



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