科大研發寬禁帶半導體氮化鎵基互補型邏輯電路 拓寬氮化鎵電子學的疆界

(文章轉載自EurekAlert!,首次刊登於2021年8月19日)

2021-08-20

香港科技大學(科大)電子與計算機工程學系陳敬教授帶領其團隊,爲方興未艾的氮化鎵(GaN)基電子學研究引入重要的新成員——互補型邏輯電路。相關技術的成功實現大幅拓展了相關研究領域的疆界,有望使氮化鎵基電子器件及相關集成電路的功能與性能得到進一步提升,從而更具競爭力。

氮化鎵基電子器件已歷逾25年的研發,近年來亦開啓了快速商業化的進程,並現身於如5G無線通信基站、移動設備的小型快速充電器、激光雷達等應用場景。在不久的將來,能夠提供極高效率與功率密度的基於氮化鎵的功率轉換、電源管理系統有望被應用於諸多湧現中的新型應用,如數據中心、無人駕駛、電動汽車、無人機、機器人等。所有這些應用既相當耗電,又需要供電模塊盡可能緊湊,這恰是氮化鎵基功率電子產品相對於傳統矽基半導體產品的優勢所在。爲了充分發掘氮化鎵的潛能,獲得更爲智能、穩定、可靠的電源系統,學界與業界在過去十餘年間一直在尋找、開發合適的技術平台以實現功率開關和各個外圍功能模塊的高度集成。其中,邏輯電路在爲外圍電路中廣泛存在,並扮演重要角色。

佔據當今半導體產業的統治地位矽基微電子與集成電路的經驗表明,互補型邏輯電路是製備大規模集成電路的最優拓撲。「互補(C)」,意味著電路由兩種具有相反控制邏輯的晶體管組成,一類擁有n型導電溝道,另一類則是p型溝道。因爲主流矽基互補型電路中的晶體管柵極爲金屬(M)-氧化物(O)-半導體(S)結構,所以更廣爲人知的名稱是「CMOS」。這樣的拓撲可以帶來諸多好處,其中最引人注目的是它極低的靜態功耗。因爲控制邏輯相反,所以在任何一個邏輯狀態下,總有一類器件處於關斷狀態,從而有效阻斷電流、顯著降低功耗。然而,由於高性能p溝道氮化鎵晶體管不易獲得,與n溝道器件的集成亦困難重重,基於氮化鎵的互補型邏輯電路的研發進展緩慢。

陳教授的團隊基於一個面向氮化鎵功率應用的商用平台上,開發了一種新型的方案,有效解決了p溝道器件實現過程中至關重要的一個問題:柵極介質層與p溝道之間不理想的界面讓本已不高的空穴遷移率進一步降低。他們在科大的實驗室自主開發了一種氧等離子體處理技術,以此爲依托製備了一種具有「埋層溝道」的p型器件結構,從而令這一新型的氮化鎵基p溝道器件在一系列關鍵性能之間取得了良好的平衡,包括實現增強型的閾值電壓、高開關電流比、高電流驅動能力。團隊更進一步著手開發同片集成技術——在同一個半導體芯片上同時製備n溝道與p溝道氮化鎵晶體管,並通過合適的片上互聯構建基於氮化鎵的互補型邏輯電路且與該平台上的功率器件集成。

該團隊首次以互補型電路拓撲實現了基於氮化鎵的所有基本邏輯門電路,包括非門、與非門、或非門,也實現了傳輸門。他們更進一步展示了可以工作在兆赫茲頻率的多級集成邏輯電路。陳教授告訴我們:「這是一次鼓舞人心的飛躍。我們首先證明了所有的基本單元都能實現,然後證明了這些基本單元可以被組合起來。所以,理論上講所有的氮化鎵基互補型邏輯電路都可以得到了,只需要適當地組合這些基本邏輯門。」

電路設計者可以開始搭建更加強大、精巧、複雜的氮化鎵基集成電路,包括但不限於:1)具有更先進的片上控制、傳感、保護、驅動能力的高效節能的功率集成電路;2)極端環境下(如汽車與航空系統)的計算與控制電路。在不遠的未來,基於氮化鎵的計算芯片或許可以實現並在特定場景中發揮作用,例如用於諸如行星探索甚至深空探索等關鍵任務。

該工作的器件技術在科大清水灣校園的納米系統制備實驗所(NFF)製備。該工作為香港研資局的研究影響基金(Research Impact Fund)所支持,並新近得到深圳市科技創新委員會深港澳科技計劃的支持。該工作近期發表於《自然 · 電子學》期刊。

全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00611-y

可分享鏈接(未訂閱《自然 · 電子學》期刊的讀者亦可查閱文章)https://rdcu.be/cpbR3

研究團隊所製備的環形振蕩器的照片與其中一級氮化鎵互補型邏輯反相器結構示意圖。
研究團隊所製備的環形振盪器的照片與其中一級氮化鎵互補型邏輯反相器結構示意圖。
科大電子與計算機工程學系陳敬教授(前排正中)及其研究團隊成員。
科大電子與計算機工程學系陳敬教授(前排正中)及其研究團隊成員。