科大研发宽禁带半导体氮化镓基互补型逻辑电路 拓宽氮化镓电子学的疆界
香港科技大学（科大）电子及计算机工程学系陈敬教授带领其团队，为方兴未艾的氮化镓（GaN）基电子学研究引入重要的新成员——互补型逻辑电路。相关技术的成功实现大幅拓展了相关研究领域的疆界，有望使氮化镓基电子器件及相关集成电路的功能与性能得到进一步提升，从而更具竞争力。
氮化镓基电子器件已历逾25年的研发，近年来亦开启了快速商业化的进程，并现身于如5G无线通信基站、移动设备的小型快速充电器、激光雷达等应用场景。在不久的将来，能够提供极高效率与功率密度的基于氮化镓的功率转换、电源管理系统有望被应用于诸多涌现中的新型应用，如数据中心、无人驾驶、电动汽车、无人机、机器人等。所有这些应用既相当耗电，又需要供电模块尽可能紧凑，这恰是氮化镓基功率电子产品相对于传统硅基半导体产品的优势所在。为了充分发掘氮化镓的潜能，获得更为智能、稳定、可靠的电源系统，学界与业界在过去十余年间一直在寻找、开发合适的技术平台以实现功率开关和各个外围功能模块的高度集成。其中，逻辑电路在为外围电路中广泛存在，并扮演重要角色。
占据当今半导体产业的统治地位硅基微电子与集成电路的经验表明，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，一类拥有n型导电沟道，另一类则是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，所以更广为人知的名称是“CMOS”。这样的拓扑可以带来诸多好处，其中最引人注目的是它极低的静态功耗。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沟道氮化镓晶体管不易获得，与n沟道器件的集成亦困难重重，基于氮化镓的互补型逻辑电路的研发进展缓慢。
陈教授的团队基于一个面向氮化镓功率应用的商用平台上，开发了一种新型的方案，有效解决了p沟道器件实现过程中至关重要的一个问题：栅极介质层与p沟道之间不理想的界面让本已不高的空穴迁移率进一步降低。他们在科大的实验室自主开发了一种氧等离子体处理技术，以此为依托制备了一种具有“埋层沟道”的p型器件结构，从而令这一新型的氮化镓基p沟道器件在一系列关键性能之间取得了良好的平衡，包括实现增强型的阈值电压、高开关电流比、高电流驱动能力。团队更进一步着手开发同片集成技术——在同一个半导体芯片上同时制备n沟道与p沟道氮化镓晶体管，并通过合适的片上互联构建基于氮化镓的互补型逻辑电路且与该平台上的功率器件集成。
该团队首次以互补型电路拓扑实现了基于氮化镓的所有基本逻辑门电路，包括非门、与非门、或非门，也实现了传输门。他们更进一步展示了可以工作在兆赫兹频率的多级集成逻辑电路。陈教授告诉我们：“这是一次鼓舞人心的飞跃。我们首先证明了所有的基本单元都能实现，然后证明了这些基本单元可以被组合起来。所以，理论上讲所有的氮化镓基互补型逻辑电路都可以得到了，只需要适当地组合这些基本逻辑门。”
电路设计者可以开始搭建更加强大、精巧、复杂的氮化镓基集成电路，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，基于氮化镓的计算芯片或许可以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。
该工作的器件技术在科大清水湾校区的纳米系统制备实验所（NFF）制备。该工作为香港研资局的研究影响基金（Research Impact Fund）所支持，并新近得到深圳市科技创新委员会深港澳科技计划的支持。该工作近期发表于《自然 · 电子学》期刊。
相关连结：
- 《自然 · 电子学》文章 (2021年7月19日): Gallium nitride-based complementary logic integrated circuits（只备英文版）
（原文於2021年8月19日在EurekAlert刊登。）
