迄今为止开发的大多数集成电路 (IC) 和电子元件都基于硅金属氧化物半导体 (CMOS) 技术。众所周知，硅 (Si) 具有窄带隙，但近年来，工程师一直在尝试使用其他具有更宽带隙的材料(例如亚硝酸镓 (GaN))来开发 IC。
由 GaN 制成的 IC 与基于硅的传统 IC 相比具有显着的优势，特别是在电力电子、射频功率放大器和设计用于在恶劣环境中运行的设备的开发方面。然而，到目前为止，开发 GaN CMOS逻辑 电路已被证明具有很高的挑战性，因为材料中空穴的固有低迁移率以及缺乏集成 n 沟道和 p 沟道场效应晶体管(n- FET 和 p-FET)在单个衬底上。
科技大学 (HKUST) 的研究人员最近实现了一系列基于 GaN 的互补逻辑 IC。他们的论文发表在Nature Electronics 上，可能对新型电子产品的开发产生重要影响。
“我们在 GaN 互补逻辑集成电路 (IC) 方面的工作是在硅基氮化镓功率 HEMT(高电子迁移率晶体管)平台上进行的，该平台目前主导着主流商用 GaN 功率电子器件技术，”Kevin J 教授. 领导这项研究的陈告诉Tech Xplore。“这是一种特别适合多功能块的高密度集成的平面技术。”
为了高效和完整，电源转换系统既需要核心功率开关器件，例如功率晶体管和整流器，也需要支持其驱动、传感、保护和控制功能的外围电路。因此，要充分发挥 GaN 功率 HEMT 的潜力，实现其高频操作并实现更小、更紧凑的电源系统，最好将电源开关器件和外围电路无缝集成在单个芯片上。
“目前的GaN HEMT都是以电子为载流子的n-FET，因此所有外围电路也是基于n-FET，”进行这项研究的研究人员之一郑哲阳博士解释说。“然而，仅基于 n-FET 的逻辑门(它是外围电路的主要组成部分)的能效比众所周知的具有互补 n-FET 和 p- 的 CMOS(互补 MOS)逻辑架构低得多。场效应管。”
最近研究的主要目标是开发与现有 GaN 功率 HEMT 平台兼容的 GaN 互补或类 CMOS 逻辑 IC。由于它们的优势和宽带隙，这些 IC 可以使广泛的技术应用受益，特别是那些受 Si 基 IC 较窄带隙限制的应用。
“我们展示了一种单片集成 GaN n-FET 和 p-FET 的合适策略，并证明了构建基于 GaN 的互补逻辑集成电路的可行性，”郑说。“基于互补 n-FET 和 p-FET(即互补逻辑门)的逻辑门是实现数字逻辑电路的最节能架构，因为使用互补 n-FET 和 p-FET 会显着抑制静电两种逻辑状态(即逻辑“1”和“0”)下的功耗、轨到轨输入和输出能力、布局合理的逻辑转换阈值和大噪声容限。”
使用他们的制造策略，Zheng 和他的同事展示了一个完整的基本逻辑门系列，包括 NOT(反相器)、NAND、NOR 和传输门。此外，由于复杂的 IC 需要具有多级逻辑门的逻辑电路，该团队还展示了多级数字 IC，例如锁存单元和环形振荡器，它们可以在室温和更高温度下运行。
“我们的研究通过展示一套完整的基本逻辑门和两个多级电路，明确地证明了实现基于 GaN 的互补逻辑电路的可行性，”陈说。“我们的研究结果表明，所有基于 GaN 的互补逻辑电路在技术上都是可以实现的。首先，所有构建块都可用。其次，它们可以集成在一起以实现更复杂的实体。”
为了开发基于 GaN 的互补电路，研究人员使用了商用 p-GaN 栅极功率 HEMT 平台。使用该商业平台可以将他们开发的互补电路与现有功率器件集成。作为研究的一部分，该团队还展示了这种整合的可行性。
“作为具有相对较大关键器件尺寸的第一代演示，我们的电路已经可以在亚兆赫兹频率下工作，”郑说。“可以预见，适度的器件缩小规模和制造工艺的进一步改进将把工作频率推高至数十兆赫兹，这将轻松满足当前使用的基于 GaN 的电力系统的要求。”
这组研究人员在他们最近的论文中展示的 IC 基于他们过去两年研究的 GaN p 沟道 FET 技术。使用新的氧等离子体处理技术，Zheng 和他的同事能够同时获得 CMOS 技术所需的 p-FET 特性，包括增强模式操作、低栅极泄漏、合适的电流密度和高 ON/OFF 电流比。
未来，他们创造的 IC 可以帮助开发各种技术设备，包括用于电力转换、石油测井、喷气发动机控制和太空探索的工具。同时，研究人员计划研究进一步增强其 IC 的方法。
“我们将致力于缩小器件尺寸，尤其是 p 沟道晶体管，以提高运行速度和降低功耗，”郑补充道。“由于这些电路是在用于制造 GaN 功率 HEMT 的商用 GaN-on-Si 平台上制造的，我们将寻求与业界合作，在外围电路中部署 GaN 互补逻辑电路，并与功率 HEMT 集成以构建更节能电源转换系统。”
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