香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系陳敬教授課題組，在第70屆國際電子器件大會(huì)（IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM 2024）上報(bào)告了多項(xiàng)基于寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵，碳化硅的最新研究進(jìn)展。研究成果覆蓋功率器件技術(shù)和新型器件技術(shù)：

高速且具備優(yōu)越開關(guān)速度控制能力的3D堆疊式GaN/SiC cascode 功率器件

多年來，商業(yè)SiC MOSFET的MOS溝道低遷移率（<40cm2/V·s）一直是限制寬禁帶SiC材料充分釋放其性能的瓶頸問題。陳敬教授課題組提出的GaN/SiC 混合型cascode器件將SiC MOSFET的低遷移率MOS溝道替換為基于GaN的2DEG溝道，將溝道遷移率大幅提升至2000cm2/V·s左右。為充分發(fā)揮GaN/SiC cascode器件的開關(guān)性能，該團(tuán)隊(duì)為該器件開發(fā)了3D堆疊式的封裝方案，有效解決了合封器件長期存在的寄生電感瓶頸。與最新一代寬禁帶半導(dǎo)體1.2kV高功率商業(yè)器件相比，新器件的開關(guān)速度有顯著提升（圖1-1）。

圖1-1：GaN/SiC cascode 器件的3D堆疊封裝及其高速開關(guān)能力

此外，cascode器件長期受制于其較弱的開關(guān)速度控制能力。針對(duì)該問題，研究團(tuán)隊(duì)首次分析、提出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了低壓器件的CGD是從根本上提升cascode器件開關(guān)速度控制能力的關(guān)鍵（圖1-2）。從而首次在cascode功率器件上實(shí)現(xiàn)了用戶樂于使用的通過外加?xùn)艠O電阻調(diào)控開關(guān)速度的方法。

圖1-2：GaN/SiC開關(guān)速度控制方案與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。增加低壓器件的CGD之后，cascode器件具備通過柵極電阻實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度控制的能力

用于柵極高壓保護(hù)及光-電同步驅(qū)動(dòng)的全GaN基半導(dǎo)體柵增強(qiáng)型 HEMT

p-GaN柵增強(qiáng)型GaN基功率HEMT在近年來實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展和初步商業(yè)化，但該器件由于缺乏內(nèi)在的柵極過壓保護(hù)結(jié)構(gòu)，在使用中困擾于較低的柵極耐壓能力和安全柵壓上限。針對(duì)這一瓶頸，陳敬教授課題組提出采用N型摻雜的GaN帽層作為半導(dǎo)體柵極以取代傳統(tǒng)的金屬柵極，構(gòu)建n-GaN/p-GaN/AlGaN/GaN增強(qiáng)型HEMT，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其中在有源區(qū)溝道上方的n-GaN為本征柵極（IG），有源區(qū)之外的外部柵極（XG）連接?xùn)艠O金屬提供柵壓。

圖2-1：全GaN基半導(dǎo)體柵增強(qiáng)型HEMT的3D結(jié)構(gòu)示意圖（左）、主/側(cè)視圖（中）及柵極過壓保護(hù)能力（右）

該器件中，本征柵極和外部柵極實(shí)現(xiàn)了去耦合。隨著正向柵壓的增加、n-GaN逐漸完全耗盡時(shí)，本征柵壓達(dá)到固定的、不隨外部柵壓變化的鉗位電壓。基于此原理，n-GaN半導(dǎo)體柵可作為器件自身的柵極保護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)400V、瞬態(tài)千伏級(jí)的柵極耐壓，相比傳統(tǒng)金屬柵器件的耐壓能力大幅提升（圖2-1）。此外，由于半導(dǎo)體柵極無金屬覆蓋，有利于紫外光的穿透和在GaN柵極區(qū)域中的吸收，因此可利用外部紫外光源作為輔助驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光-電同步開關(guān)，增強(qiáng)溝道調(diào)控能力，降低器件導(dǎo)通電阻。

用于儲(chǔ)備池計(jì)算的寬禁帶半導(dǎo)體可重構(gòu)類神經(jīng)晶體管

圖3-1: 氮化鎵可重構(gòu)晶體管及其工作原理示意圖

圖3-2: 基于氮化鎵可重構(gòu)晶體管的儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)（左）及在不同時(shí)間尺度下時(shí)序信號(hào)預(yù)測結(jié)果（右）

傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通常需要大量的權(quán)重參數(shù)和硬件計(jì)算資源。以物理儲(chǔ)備池計(jì)算（Reservoir Computing）為代表的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用物理系統(tǒng)固有的非線性特征和動(dòng)態(tài)演化過程作為計(jì)算資源，可顯著提升系統(tǒng)效率。然而，目前基于電子器件的物理儲(chǔ)備池大多受限于單一的非線性響應(yīng)和短期記憶效應(yīng)，難以處理不同時(shí)間尺度的信號(hào)。同時(shí)，處理信號(hào)物理儲(chǔ)備池器件與存儲(chǔ)權(quán)重的非易失存儲(chǔ)器件大多基于不同材料，難以同片集成。

針對(duì)這一問題，陳敬教授課題組提出了一種基于氮化鎵的可重構(gòu)晶體管（圖3-1）。該器件基于p-GaN/AlGaN/GaN平臺(tái)，利用p型氮化鎵作為溝道材料，結(jié)合不同的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)成易失型和非易失型存儲(chǔ)器件，分別作為儲(chǔ)備池計(jì)算中的儲(chǔ)備池層和讀出層。其中，易失型器件基于頂柵/介質(zhì)/浮柵/半導(dǎo)體/背柵的柵極結(jié)構(gòu)，以浮柵作為短期存儲(chǔ)電荷的媒介，利用雙柵結(jié)構(gòu)分別調(diào)節(jié)器件的非線性輸入輸出響應(yīng)和短期記憶保持時(shí)間，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的物理儲(chǔ)備池。非易失型器件基于頂柵/介質(zhì)/半導(dǎo)體/背柵的柵極結(jié)構(gòu)，以介質(zhì)/半導(dǎo)體界面的深能級(jí)陷阱態(tài)作為長期存儲(chǔ)電荷的媒介，利用電子和空穴注入，實(shí)現(xiàn)了快速權(quán)重更新、多態(tài)存儲(chǔ)和高耐久性。利用該可重構(gòu)晶體管，進(jìn)一步構(gòu)建了一種具有高度適應(yīng)性的儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在不同時(shí)間尺度上的混沌時(shí)間序列預(yù)測（圖3-2）。