通过中性束刻蚀技术实现了基于GaN的高输出电压二进制和三进制数字器件

《Materials Science in Semiconductor Processing》：GaN-based high output voltage binary and ternary digital components achieved by neutral beam etching

基于高阈值电压E模式GaN HEMT的器件集成实现了二进制和三进制数字电路，包括反相器、与门、或门等，在8V供电下表现出高逻辑摆幅、均衡噪声 margins和纳秒级响应时间，验证了GaN多值逻辑的可行性。

　　

李玉东|高涵|周宣玲|邹新波

上海科技大学信息科学与技术学院，中国上海201210

引言

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）在高压和高频条件下表现出优异的性能，这得益于其宽的带隙、高的载流子迁移率以及低的导通电阻（R_on），使其在电力转换系统中得到广泛应用[[1], [2], [3]]。

与由硅制成的外围电路（控制、驱动和保护电路）相比，基于GaN的外围电路和功率器件的单片集成不仅提高了集成密度[[4], [5], [6]]，还减少了由互连引起的寄生耦合效应[7,8]。例如，将数字组件与功率器件单片集成不仅能够实现控制功能，并充分发挥GaN器件在高温和高频下的潜力，还为功率器件提供了所需的驱动能力[9,10]。

直接耦合FET逻辑（DCFL）架构已被证明是一种可行的方法，通过集成D/E模式n沟道器件来形成基本的逻辑组件[11,12]。在这种设计中，E模式器件的特性对整个电路的性能起着关键作用。通常，E模式器件可以通过p-GaN栅极[[13], [14], [15], [16]]和凹陷栅极[[17], [18], [19], [20]]来实现；近年来，三栅极[21]和电荷捕获层[22,23]也展示了良好的V_th调制能力。

采用p-GaN栅极的DCFL电路通常受限于低栅极电压操作，例如在3–5V范围内，无法提供驱动功率器件所需的高输出电压。这一限制主要归因于p-GaN栅极E模式HEMT的低阈值电压（V_th）。此外，当由低V_th器件制造的逻辑组件在较高的电源电压（V_DD）下工作时，会出现噪声裕度不平衡，从而导致级联电路中的逻辑错误增加。

凹陷栅极器件通过控制栅极下方AlGaN层的厚度来调节二维电子气（2DEG）密度，从而实现增强模式操作，从而提高V_th[12,24,25]。

在我们之前的工作中，采用了基于氩的中性束刻蚀（NBE）技术来实现低损伤的栅极刻蚀和陡峭的侧壁轮廓[19]。已经展示了高性能的凹陷栅极E模式GaN晶体管，其阈值电压超过4 V，并且具有高饱和电流。高V_th HEMT的成功实现可能有助于满足构建DCFL时对大输出电压和低导通电阻的要求。

在数字集成电路领域，基本逻辑门（如反相器、与门、或门、与非门和或非门）是重要的构建块。这些逻辑门不仅结构简单且易于实现，还可以组合起来构建其他复杂的数字功能。这一特性简化了数字系统的设计和制造过程，并确立了它们在集成电路中不可替代的基础地位。

基于氩的NBE技术可以通过控制栅极下方AlGaN层的刻蚀深度来制造具有不同V_th的E模式器件，从而在单个电路上实现多个具有不同V_th器件的单片集成。例如，可以通过集成多个E模式器件（具有不同的阈值电压）和D模式器件来构建多值逻辑，用于驱动电路，包括电平移位器、驱动控制和死时间控制。此前，已经提出了单片多值逻辑以提高电路效率[26]，模拟表明这可能带来数字处理密度的提升和芯片面积的减少。实验结果尚未公布。

本研究通过单片集成D/E模式HEMTs，实现了高性能的基于GaN的二进制和三进制数字组件。制造的二进制数字组件（包括反相器、与门、或门、与非门和或非门）表现出较大的逻辑摆幅、高工作电压能力和均匀的噪声裕度。基本数字门的详细特性验证了这些组件在8 V电源电压下的稳健功能。此外，通过连接具有工程化阈值电压的器件实现了三进制逻辑。这一成功的演示为基于GaN的多值逻辑的可行性提供了初步验证，为其在扩展数字层次结构中的应用奠定了基础。

部分摘录

器件制造

如图1(a)所示，MOSHEMT是在硅衬底上的AlGaN/GaN外延层上制造的。它由5 μm的AlN/GaN缓冲层、210 nm的i-GaN沟道层、0.8 nm的AlN间隔层、23 nm的AlGaN阻挡层和2 nm的GaN盖层组成。与D模式相比，E模式采用了凹陷栅极工艺，其中栅极下方的AlGaN层被刻蚀和减薄以实现正常关闭状态。欧姆金属堆栈由Ti/Al/Ni/Au（20/150/50/80 nm）组成

反相器

如图2(a)所示，反相器是通过直接耦合一个D模式器件（配置为负载晶体管）和一个E模式器件（配置为驱动晶体管）来形成的。图2(b)显示了制造的具有α = 40的反相器的典型光学显微镜图像。在本研究中，制造了不同驱动器与负载比的反相器，该比定义为α=(W/L)_E/(W/L)_D，其中W是栅极的宽度，L是栅极的长度。在DCFL类型的反相器中，且在

结论

采用基于氩的NBE方法实现了高性能的GaN二进制数字组件，包括反相器、与门、或门、与非门和或非门。实现了具有高逻辑摆幅电压（99.7%）、平衡的噪声裕度和低转换时间的反相器。与门、或门、与非门和或非门数字门的特性显示出了出色的逻辑电压摆幅，并具有纳秒级的短响应时间。这些数字组件在高达8 V的电源电压下仍能保持可靠的操作。

CRediT作者贡献声明

李玉东：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理。高涵：撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理。周宣玲：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究。邹新波：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52131303）的支持。

作者感谢上海科技大学材料与器件实验室（SMDL）提供的技术支持。