硅基互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术是当前集成电路行业的主流技术和驱动力，主要原因之一是使用该技术可以获得极高的能源效率。但是，硅材料较窄的带隙限制了硅基集成电路的使用场景，从而使得宽禁带半导体，例如氮化镓 (GaN)等，在电力电子、射频功率放大器和严酷环境的应用中受到青睐。然而，由于缺乏在单个衬底上集成 n 沟道和 p 沟道场效应晶体管的合适策略，GaN基CMOS 逻辑电路的开发非常具有挑战性且发展缓慢。
近日，由香港科技大学陈敬教授带领的研究团队在著名期刊Nature Electronics发表了他们的研究成果，报道了增强型 n 沟道和 p 沟道 GaN 场效应晶体管的单片集成技术以及基于 GaN 的互补型逻辑集成电路的制造。在这一工作中，陈教授的团队制备了完备的基本逻辑门集合——包括非、与非、或非和传输门。其中，以反相器为代表的逻辑门展现出100%轨到轨输出能力、显著抑制的静态功耗、良好的热稳定性和充分高的噪声容限，单项指标与综合性能均为已报道的同类反相器中之最佳。除了完备的单级基本逻辑门，该团队进一步展示了由多级互补型逻辑门组成的拥有较高复杂度的集成电路，如锁存单元 (latch cell)和环形振荡器 (ring oscillator)。多级集成能力的证明，对将GaN基CMOS技术推向实用具有重要意义。
此次发表的研究成果，颇具意义，也引发了业界的广泛关注。为此，半导体产业网/第三代半导体（微信公号）特别采访了陈敬教授，与业界分享更多关于此次研究成果的信息。
半导体产业网：此次研究成果的先进性主要体现在哪里呢？
陈敬教授：我们基于商用p型栅硅上氮化镓平台，制备了同片集成的氮化镓基互补型(GaN CMOS)逻辑电路，首次展示了一个完整的基本逻辑门集合，以及多级逻辑门集成更复杂逻辑电路的能力。所展示的氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列“类CMOS”的优点，包括在两个逻辑状态下的静态功耗都被显著抑制、轨到轨电压输入输出能力、合适的状态翻转阈值、高噪声容限等。同时，这些电路可以工作在兆赫兹频率，并且拥有出色的热稳定性，一定程度上体现了宽禁带半导体的优势。
此工作的核心在于实现氮化镓p-沟道场效应晶体管（GaN p-FET）的器件制备技术，通过特殊的氧等离子处理技术实现了埋栅型场效应器件，有效的将导通沟道和氮化镓、栅氧层界面隔离，从而压制界面态的负面影响，在GaN p-FET中实现了满足GaN CMOS 要求的器件性能，包括增强型工作所需的负阈值电压（−1.2 V），高开关电流比 （~106），较高的饱和电流密度（~2 mA/mm），低栅极漏电流（10-6 mA/mm）等 。
半导体产业网：目前该领域技术状况如何？
陈敬教授：以高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的n沟道氮化镓器件已历逾25年的研发，并于近年开启了快速商业化的进程。但是，氮化镓基互补型逻辑电路的研发进展缓慢，不仅囿于制备性能良好的p沟道器件的技术瓶颈，还包括缺乏合适的将n、p沟道器件集成在同一芯片上的策略。
2014年德国亚琛工业大学展示了第一个单片集成的氮化镓互补型逻辑反相器；2016年美国HRL实验室通过再生长技术制备了具有可用噪声容限的互补型逻辑反相器；2020年美国麻省理工学院展示了具有轨到轨输出特性的互补型逻辑反相器。在此工作之前，上述反相器皆未能展示CMOS类电路的最大优势——两个逻辑状态下都能得到显著抑制的静态功耗；亦未有其他互补型逻辑电路特别是多级逻辑电路的展示。学界和业界对于氮化镓互补型逻辑电路是否可得可用存在疑问。
半导体产业网：此次收录的研究成果对于该领域的技术发展或技术实践有怎样的意义？
陈敬教授：该研究成果清楚地揭示了在现有的商用平台上制备氮化镓互补型逻辑电路的可能性，并证明了该类电路可以拥有其他CMOS电路所拥有的一系列优点，以及以兆赫兹频率工作的能力。因此，以氮化镓互补型逻辑电路作为氮化镓功率开关的外围电路并与之同片集成，变成了一个近期可以实现的目标。
半导体产业网：接下来对于该研究成果会有怎样的使用计划？比如落地等等？
陈敬教授：接下来希望和业界合作，充分利用业界的先进制备能力，进一步缩减器件尺寸、提升器件性能及可靠性，制备更加性能优良的氮化镓互补型逻辑电路，并与氮化镓功率开关实现单片集成，获得更加功能强大、节能高效的电源系统。同时，氮化镓电子器件及集成电路家庭因为GaN CMOS的加入会更加完整，实现氮化镓基计算控制芯片已经变为可能，氮化镓电子技术的应用领域会进一步扩展。
从过去到现在，技术的进步就在一代代科技人面对挑战、取得突破的过程中实现着，并同时改变着人们的生活。此次研究成果引起了强烈的反响，有了更好的技术水平提升，也期待未来的实践表现。
部分研究成果内容摘录
（以下所展示的图片均最早见于陈教授团队发表于《Nature Electronics》的论文正文及补充材料，链接请见文末。）
在这项工作中展示的所有 GaN 互补逻辑电路的制备均基于普通的 p型栅功率 HEMT 平台，即生长于 6 英寸或 8 英寸硅晶圆上的p-GaN/AlGaN/GaN 外延结构。 这项工作中使用的晶片具有 4 µm 厚的 GaN 缓冲层，专门为 650 V 电力电子应用而设计。高压 HEMT 的制造与低压 n 沟道 HEMT 的制造相同。下图 a 描绘了高压 p型栅功率 HEMT的示意图，该器件栅-漏极间距LGD = 15 µm。
图1 |单片集成的GaN互补型逻辑反相器
图2 |分立n沟道晶体管和p沟道晶体管的准静态电学特性
图3 | GaN基互补型逻辑反相器的特性
图4 |单级GaN单片集成互补型基本逻辑门
图5 |由两个交叉耦合的GaN互补型逻辑反相器所组成的锁存单元
图6 |由多级GaN互补型逻辑反相器组成的环形振荡器
此次研究成果全文链接如下：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00611-y
港科大陈敬教授（前排正中）及完成此工作的研究团队
【陈敬教授简介】
陈敬教授1988年获得北京大学学士学位，并通过CUSPEA项目于1993年获得美国马里兰大学帕克分校博士学位。他的行业实践经历包括在日本NTT LSI实验室和美国安捷伦科技从事化合物半导体高速器件技术研发工作。
陈敬教授自2000年起在香港科技大学任教，现为电子和计算机工程系正教授。他曾在国际期刊和会议论文集中发表500余篇论文，其中包括国际电子器件会议IEDM发表28次. 在GaN电子器件技术方面曾获得11项美国专利授权。他所带领的团队目前的研究重点在于开发用于功率电子、射频/微波及耐恶劣环境电子等方面的GaN器件及集成电路技术。
他是IEEE Fellow， 2013年陈敬教授曾担任《IEEE电子器件汇刊》“GaN电子器件”特刊的特邀编委。此外，他还担任《IEEE电子器件汇刊》、《IEEE微波理论与技术汇刊》及《日本应用物理杂志》的编辑。陈敬教授曾于2019年担任在上海举办的IEEE第31届国际功率半导体器件和集成电路研讨会ISPSD2019的技术委员会主席，并将于2023年在深圳举行的第35届ISPSD2023担任大会主席。
