硅基互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術是當前集成電路行業的主流技術和驅動力，主要原因之一是使用該技術可以獲得極高的能源效率。但是，硅材料較窄的帶隙限制了硅基集成電路的使用場景，從而使得寬禁帶半導體，例如氮化鎵 (GaN)等，在電力電子、射頻功率放大器和嚴酷環境的應用中受到青睞。然而，由于缺乏在單個襯底上集成 n 溝道和 p 溝道場效應晶體管的合適策略，GaN基CMOS 邏輯電路的開發非常具有挑戰性且發展緩慢。
近日，由香港科技大學陳敬教授帶領的研究團隊在著名期刊Nature Electronics發表了他們的研究成果，報道了增強型 n 溝道和 p 溝道 GaN 場效應晶體管的單片集成技術以及基于 GaN 的互補型邏輯集成電路的制造。在這一工作中，陳教授的團隊制備了完備的基本邏輯門集合——包括非、與非、或非和傳輸門。其中，以反相器為代表的邏輯門展現出100%軌到軌輸出能力、顯著抑制的靜態功耗、良好的熱穩定性和充分高的噪聲容限，單項指標與綜合性能均為已報道的同類反相器中之最佳。除了完備的單級基本邏輯門，該團隊進一步展示了由多級互補型邏輯門組成的擁有較高復雜度的集成電路，如鎖存單元 (latch cell)和環形振蕩器 (ring oscillator)。多級集成能力的證明，對將GaN基CMOS技術推向實用具有重要意義。
此次發表的研究成果，頗具意義，也引發了業界的廣泛關注。為此，半導體產業網/第三代半導體（微信公號）特別采訪了陳敬教授，與業界分享更多關于此次研究成果的信息。
半導體產業網：此次研究成果的先進性主要體現在哪里呢？
陳敬教授：我們基于商用p型柵硅上氮化鎵平臺，制備了同片集成的氮化鎵基互補型(GaN CMOS)邏輯電路，首次展示了一個完整的基本邏輯門集合，以及多級邏輯門集成更復雜邏輯電路的能力。所展示的氮化鎵互補型邏輯電路擁有一系列“類CMOS”的優點，包括在兩個邏輯狀態下的靜態功耗都被顯著抑制、軌到軌電壓輸入輸出能力、合適的狀態翻轉閾值、高噪聲容限等。同時，這些電路可以工作在兆赫茲頻率，并且擁有出色的熱穩定性，一定程度上體現了寬禁帶半導體的優勢。
此工作的核心在于實現氮化鎵p-溝道場效應晶體管（GaN p-FET）的器件制備技術，通過特殊的氧等離子處理技術實現了埋柵型場效應器件，有效的將導通溝道和氮化鎵、柵氧層界面隔離，從而壓制界面態的負面影響，在GaN p-FET中實現了滿足GaN CMOS 要求的器件性能，包括增強型工作所需的負閾值電壓（−1.2 V），高開關電流比 （~106），較高的飽和電流密度（~2 mA/mm），低柵極漏電流（10-6 mA/mm）等 。
半導體產業網：目前該領域技術狀況如何？
陳敬教授：以高電子遷移率晶體管（HEMT）為代表的n溝道氮化鎵器件已歷逾25年的研發，并于近年開啟了快速商業化的進程。但是，氮化鎵基互補型邏輯電路的研發進展緩慢，不僅囿于制備性能良好的p溝道器件的技術瓶頸，還包括缺乏合適的將n、p溝道器件集成在同一芯片上的策略。
2014年德國亞琛工業大學展示了第一個單片集成的氮化鎵互補型邏輯反相器；2016年美國HRL實驗室通過再生長技術制備了具有可用噪聲容限的互補型邏輯反相器；2020年美國麻省理工學院展示了具有軌到軌輸出特性的互補型邏輯反相器。在此工作之前，上述反相器皆未能展示CMOS類電路的最大優勢——兩個邏輯狀態下都能得到顯著抑制的靜態功耗；亦未有其他互補型邏輯電路特別是多級邏輯電路的展示。學界和業界對于氮化鎵互補型邏輯電路是否可得可用存在疑問。
半導體產業網：此次收錄的研究成果對于該領域的技術發展或技術實踐有怎樣的意義？
陳敬教授：該研究成果清楚地揭示了在現有的商用平臺上制備氮化鎵互補型邏輯電路的可能性，并證明了該類電路可以擁有其他CMOS電路所擁有的一系列優點，以及以兆赫茲頻率工作的能力。因此，以氮化鎵互補型邏輯電路作為氮化鎵功率開關的外圍電路并與之同片集成，變成了一個近期可以實現的目標。
半導體產業網：接下來對于該研究成果會有怎樣的使用計劃？比如落地等等？
陳敬教授：接下來希望和業界合作，充分利用業界的先進制備能力，進一步縮減器件尺寸、提升器件性能及可靠性，制備更加性能優良的氮化鎵互補型邏輯電路，并與氮化鎵功率開關實現單片集成，獲得更加功能強大、節能高效的電源系統。同時，氮化鎵電子器件及集成電路家庭因為GaN CMOS的加入會更加完整，實現氮化鎵基計算控制芯片已經變為可能，氮化鎵電子技術的應用領域會進一步擴展。
從過去到現在，技術的進步就在一代代科技人面對挑戰、取得突破的過程中實現著，并同時改變著人們的生活。此次研究成果引起了強烈的反響，有了更好的技術水平提升，也期待未來的實踐表現。
部分研究成果內容摘錄
（以下所展示的圖片均最早見于陳教授團隊發表于《Nature Electronics》的論文正文及補充材料，鏈接請見文末。）
在這項工作中展示的所有 GaN 互補邏輯電路的制備均基于普通的 p型柵功率 HEMT 平臺，即生長于 6 英寸或 8 英寸硅晶圓上的p-GaN/AlGaN/GaN 外延結構。 這項工作中使用的晶片具有 4 µm 厚的 GaN 緩沖層，專門為 650 V 電力電子應用而設計。高壓 HEMT 的制造與低壓 n 溝道 HEMT 的制造相同。下圖 a 描繪了高壓 p型柵功率 HEMT的示意圖，該器件柵-漏極間距LGD = 15 µm。
圖1 |單片集成的GaN互補型邏輯反相器
圖2 |分立n溝道晶體管和p溝道晶體管的準靜態電學特性
圖3 | GaN基互補型邏輯反相器的特性
圖4 |單級GaN單片集成互補型基本邏輯門
圖5 |由兩個交叉耦合的GaN互補型邏輯反相器所組成的鎖存單元
圖6 |由多級GaN互補型邏輯反相器組成的環形振蕩器
此次研究成果全文鏈接如下：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00611-y
港科大陳敬教授（前排正中）及完成此工作的研究團隊
【陳敬教授簡介】
陳敬教授1988年獲得北京大學學士學位，并通過CUSPEA項目于1993年獲得美國馬里蘭大學帕克分校博士學位。他的行業實踐經歷包括在日本NTT LSI實驗室和美國安捷倫科技從事化合物半導體高速器件技術研發工作。
陳敬教授自2000年起在香港科技大學任教，現為電子和計算機工程系正教授。他曾在國際期刊和會議論文集中發表500余篇論文，其中包括國際電子器件會議IEDM發表28次. 在GaN電子器件技術方面曾獲得11項美國專利授權。他所帶領的團隊目前的研究重點在于開發用于功率電子、射頻/微波及耐惡劣環境電子等方面的GaN器件及集成電路技術。
他是IEEE Fellow， 2013年陳敬教授曾擔任《IEEE電子器件匯刊》“GaN電子器件”特刊的特邀編委。此外，他還擔任《IEEE電子器件匯刊》、《IEEE微波理論與技術匯刊》及《日本應用物理雜志》的編輯。陳敬教授曾于2019年擔任在上海舉辦的IEEE第31屆國際功率半導體器件和集成電路研討會ISPSD2019的技術委員會主席，并將于2023年在深圳舉行的第35屆ISPSD2023擔任大會主席。
