氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列“类CMOS”的优点。图片来源：unsplash
5纳米、2纳米、1纳米……
作为当前芯片制造行业的主流技能，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技能已“靠近物理极限”。这也意味着，“弯道超车”的机会越来越渺茫，“多道赛车”成为业内的选择。
最近，喷鼻香港科技大学和南方科技大学研究职员分别在《自然—电子学》等期刊揭橥论文，宣布了“氮化镓基互补逻辑集成电路”和“氮化镓高压多沟道器件技能”领域取得的打破，这或成为第三代半导体赛道上的一抹曙光。
应时的事情：氮化镓基互补逻辑集成电路
硅基互补金属氧化物半导体可以得到极高的能源效率，与此同时，硅材料较窄的带隙也限定了硅基集成电路的利用场景。
而宽禁带半导体，如氮化镓等在电力电子、射频电子、显示照明和严厉环境中的出色表现，让人们对其运用前景充满期待。由于缺少在单个衬底上集成n沟道和p沟道场效应晶体管的得当策略，氮化镓基CMOS逻辑电路的开拓进程缓慢。
“我们首次展示了一个完全的基本逻辑门凑集，以及多级逻辑门集成更繁芜逻辑电路的能力。”喷鼻香港科技大学教授陈敬说，“这种氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列‘类CMOS’的优点。这些电路可以事情在兆赫兹频率，并且拥有出色的热稳定性，一定程度上表示了宽禁带半导体的上风。”
在该研究中，陈敬团队制备了完备的基本逻辑门凑集——包括非、与非、或非和传输门。个中，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的噪声容限，单项指标与综合性能均为已宣布的同类反相器中之最佳。
“这是个很俊秀而且很应时的事情。”瑞士洛桑联邦理工学院微纳技能中央博士刘骏秋在接管《中国科学报》采访时表示。
除了完备的单级基本逻辑门，陈敬团队进一步展示了由多级互补型逻辑门组成的拥有较高繁芜度的集成电路。多级集成能力的证明，对将氮化镓基CMOS技能推向实用具有主要意义。
南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊认为，该技能首先可用于开拓高能效的新一代电能转换芯片——氮化镓电力电子集成电路，对降落电能损耗和减少碳排放具有非常主要的意义；其次能扩展氮化镓的运用方向，例如用于开拓航空航天等须要耐受严厉环境（高温、辐射等条件下）的新型特种打算掌握芯片。
“该论文是氮化镓集成电路方向的主要里程碑，对氮化镓基芯片的发展具有主要意义。”马俊见告《中国科学报》。
根本器件打破：氮化镓高压多沟道电力电子器件
作为第一代半导体材料，锗和硅已在各种电子器件和集成电路上广泛运用。以砷化镓和磷化铟为代表的三五族化合物半导体材料被认为是第二代半导体，它的某些性能优点填补了硅晶体的缺陷，从而生产出符合更高哀求的产品。
第三代半导体因此氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料。
在运用方面，第三代半导体在照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域的家当成熟度各不相同，在一些前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
“第三代半导体材料领域的发展日月牙异。”刘骏秋说，“比如氮化镓、碳化硅、铝镓砷等，紧张用来制备电芯片。而光芯片领域，目前最成熟的材料硅、磷化铟已经以商业化为主。碳化硅目前已经开始从实验室走向成熟家当和商业化，而铌酸锂材料目前中国的研究也很前沿，很多大学都有干系的研究。值得一提的是，国际与海内很多领先的研究组已经开始研究利用第三代半导体材料实现光电集成。”
在揭橥于国际电子器件大会（IEDM）和《自然—电子学》的文章中，马俊团队和瑞士洛桑联邦理工大学、苏州晶湛半导体有限公司互助，通过原创性的高压多沟道电力电子器件技能，开辟了氮化镓电力电子器件研究的新领域，“有可能改变第三代半导体电力电子器件技能发展的趋势”。
“现有氮化镓电力电子器件的主流方案是硅基氮化镓器件，其品质因子受击穿电压和导通电阻的根本性限定，远未达到氮化镓材料的理论极限，近10年来进步甚微。”马俊说。
为办理这一问题，马俊等人用高压多沟道器件技能，在得到1200V高击穿电压的同时将器件的导通电阻降落为原来的1/5，将硅上氮化镓电力电子器件品质因子的国际记录提升了4倍。
此后，马俊又以共同第一作者，将该技能的后续事情——1300V的常关型多沟道硅基氮化镓高迁移率晶体管研究成果揭橥于《自然—电子学》。
“这项事情是氮化镓电力电子器件领域的重大进步。”氮化镓电子器件领域专家、英国布里斯托大学教授Martin Kuball在《自然—电子学》撰写专文评论说，“该技能使氮化镓器件的性能大幅靠近其理论极限，且显著地超过了现有的碳化硅器件。”
《自然—电子学》在其编辑部宣布中提到，“我们重点推举的第三篇文章是学术界和工业界的互助成果，即马俊、Elison Matioli和他们同事申报请示的多沟道器件技能”，展示了该技能巨大的代价和潜力。
根本+集成：改变行业版图
“氮化镓电子器件及集成电路家族因氮化镓基CMOS的加入而更加完全，实现氮化镓基打算掌握芯片已经成为可能，氮化镓电子技能的运用领域会进一步扩展。”陈敬说，“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，近年来已开启了快速商业化的进程。”
“氮化镓基芯片未来的发展将有很大可能呈现‘根本化+集成化’的趋势。”马俊说。
马俊阐明说，根本化是由于现有氮化镓电子器件的性能远未达到氮化镓材料的理论极限。因此，氮化镓基芯片的未来发展将首先聚焦于新型根本性器件技能的开拓，寻求根本元器件性能的打破性进展，达到全面利用氮化镓材料性能上风的目的。
例如，在氮化镓材料善于的射频和电力电子领域，新型的多沟道构造和纳米构造等技能正在推动氮化镓射频电子器件和电力电子器件性能的成倍提高，远远超出传统的硅器件和现有的氮化镓器件。同时，高性能的p沟道晶体管对氮化镓互补性逻辑电路的进一步发展也至关主要。
“这些根本器件性能的打破，将为氮化镓芯片的未来发展供应更广阔的可能。”马俊说，“集成是半导体发展的主要目标，氮化镓基芯片的未来发展也将沿着集成化的方向发展。”
马俊认为，集成化紧张表示在两个方面。
一是氮化镓器件家族将不断扩大，包括氮化镓互补型逻辑门技能和肖特基二极管等关键根本单元，将向其实用化方向不断完善，终极形成完全的氮化镓射频电子和电力电子集成电路办理方案；二是氮化镓与传统硅基材料和芯片的集成技能也将不断发展。根据不同的运用，通过异质集成、片上集成、封装集成等多种方法，选择并集成最适配的硅基和氮化镓基芯片，形成最佳性能与最优本钱的集成电路办理方案。
我们期待，芯片制造业的版图将因第三代半导体驶入赛道而改变。
干系论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00611-y
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00550-8
https://doi.org/10.1109/IEDM19573.2019.8993536
《中国科学报》 (2021-09-16 第3版 信息技能 原标题为《芯片版图“因谁而变”》)
