科學家開發氮化镓互補邏輯電路，p溝道晶體管電流高達23mA/mm，為AI服務器電力管理提供新技術路徑

近年來，隨著人工智能的快速發展，AI 算力中心的能耗急劇上升，電力供應也面臨巨大壓力。

此前，特斯拉創始人兼 CEO 埃隆·馬斯克曾對 AI 所面臨的瓶頸做出預測。他認為，AI 第一個階段的瓶頸在算力芯片，而下一階段的瓶頸將是電源管理。馬斯克指出，「電力供應可能將不足以為越來越多的 AI 芯片供電。」

AI 服務器集群的電力管理問題亟待解決，而電源管理系統佔據算力中心可觀的空間，嚴重限制了算力服務器的算力密度提升。

近期，北京大學沈波教授和魏進研究員團隊的一項研究為解決電源管理芯片的瓶頸提供了新的思路，也為未來 AI 算力中心的電力管理提供了新的技術路徑。

他們提出了一種極化增強電離技術，通過極化電場誘導受主完全電離，顯著提高了氮化镓（GaN）基 p 溝道場效應晶體管（p-FET，p-channel Field Effect Transistor）的載流子濃度及驅動電流密度。

在 2 微米柵長下，p-FET 展現出高達 23mA/mm 的最大電流（Imax）、6.5×107 的電流開關比（ION/IOFF）、89mV/dec 的低亞閾值斜率以及可忽略的閾值電壓遲滯。

此外，研究人員還展示了將 GaN 功率高電子遷移率晶體管與 GaN 互補邏輯緩衝器的單片集成，進一步證明了 GaN 互補邏輯電路在電源管理芯片的潛力。

通過解決 GaN 中 p 型摻雜電離率低的難題，該研究實現了高性能 GaN 互補邏輯電路，展示了完備的邏輯門電路功能，並且其單級時延僅為 13ns，是目前公開報導的 GaN 互補邏輯電路的最小值。

魏進表示：「未來的高速高壓電源管理系統，開關頻率將達到 MHz，我們所實現的 13ns 時延已經足夠快，有望應用在電源管理系統，並大幅度提升其功率密度。」

實現目前公開報導的 GaN 互補邏輯電路最小時延

GaN 互補邏輯是實現高密度功率集成電路的關鍵技術，對於推動電源管理系統的效率提升及體積微縮化發展具有重要的意義。

然而長期以來，由於缺乏高性能的 p 溝道晶體管，GaN 集成電路難以採用高效率的互補邏輯架構，限制了高密度低損耗的功率集成電路芯片的實現。

GaN 基 p 溝道晶體管的關鍵技術難點在於，寬禁帶半導體 GaN 中受主電離能較大，因此受主雜質電離產生載流子的比率僅為 10% 左右。

為此，該團隊以解決 GaN 基 p 溝道晶體管電流密度低的問題為目標開始了這項研究。他們最初的方案是通過增加溝道厚度來提升載流子濃度，然而，這個方案對器件工藝提出了較高的要求，在量產方面面臨較大的挑戰。

極化增強技術的提出源於一次偶然的發現。最初，該課題組成員李騰在研究中嘗試插入一層氮化鋁（AlN）極化層來形成能量勢壘，通過抑制載流子從器件背部穿過，降低關態漏電流。

然後，研究人員意外地發現了極化增強電離效應：極化層在器件中引入了內建電勢，將 GaN 中費米能級的位置抬高到了受主態之上，從而使得受主態發生了完全電離。

圖丨（a）氮化镓互補邏輯平台的結構示意圖；（b）模擬 p-FET 柵區的能帶圖；（c）氮化镓互補邏輯電路的工藝流程（來源：IEDM）

GaN 是一種寬禁帶半導體，其受主雜質電離能較高，導致 p 型 GaN 中受主雜質的電離率較低，費米能級接近價帶，受主雜質能級與費米能級相當或略高於費米能級。

當在 p 型 GaN 中插入 AlN 極化層，極化電場產生內建電勢會使 AlN 下方的能帶下移，而 AlN 上方的能帶則上移。對於下方的 p 型 GaN，在能帶下移後，受主雜質能級位於費米能級下方，根據玻爾茲曼分佈規律，受主能級將全部被電子佔據，即受主能級完全電離。

電離產生的空穴在極化電場的作用下，轉移到 AlN 極化層上方，形成一個高濃度高遷移率二維空穴氣溝道，從而顯著提高了 p 溝道晶體管的電流密度。

魏進解釋說道：「寬禁帶半導體中雜質電離能較高是其固有難題，因此我們將研究重點轉移到通過極化效應增強受主電離率上，進而製備出高電流密度的 GaN 基 p 溝道晶體管。」

需要瞭解的是，互補邏輯電路的最重要參數是每一級邏輯電路的平均時延，而這與邏輯電路中器件的驅動電流密度有關。在此前的文獻中，GaN 互補邏輯電路中 p 溝道晶體管在工作電壓下，電流密度最大約為 1.6mA/mm，單級時延最小為 37ns。

而本研究中的 GaN 互補邏輯電路中，p 溝道晶體管在工作電壓下電流密度為 4.7mA/mm，單級時延為 13ns，相較文獻中的性能實現了大幅度提升。

此外，為確保芯片工藝具備較高的一致性，研究人員設計了一種自停止工藝來控製器件製備過程的刻蝕過程，最終實現了 15 級的環振電路。

近日，相關論文以《低時延極化增強氮化镓互補邏輯電路》（Polarization Enhanced GaN Complementary Logic Circuits with Short Propagation Delay）為題，發表於在美國舊金山舉辦的第 70 屆國際電子元件會議（IEDM，International Electron Devices Meeting）[1]。

北京大學博士生李騰是第一作者，魏進研究員和沈波教授擔任共同通訊作者。

有望在兩年內完成產業化驗證

GaN 功率集成技術具有廣闊的應用前景。一方面，它能夠用於 AI 服務器集群的電力管理，有望有效降低電力損耗、減少廢熱的產生，並大幅度簡化算力中心的散熱系統設計。

另一方面，該技術能夠有效提升電源電路的工作頻率，實現電源系統的微型化，從而為有效提高算力中心的算力密度提供新的可能性。

目前，數字邏輯電路大多數採用矽材料製備，然而矽半導體在高溫或強輻照環境下性能受限。相對而言，GaN 材料具有遠高於矽的禁帶寬度，因而能夠在更高溫度下工作。

從長遠來看，GaN 互補邏輯電路有望大幅度拓展集成電路的應用範圍，例如在國土探測、金星探測、汽車電子等高溫環境下，為有效降低散熱或冷卻需求提供解決方案。

目前，GaN 基功率晶體管已經較為成熟。據介紹，該課題組所開發的技術僅需要在已有工藝基礎上進行少量更改，因此可以保持較低的製造成本。

當下，該團隊已與國內多家企業開展合作，並設定了多個聯合研發項目，其現階段的重點是提升工藝的均勻性以及芯片的可靠性驗證。「電源管理芯片對於可靠性要求較高，我們希望能在未來 1 至 2 年內完成產業化驗證。」魏進表示。

實現萬伏級 GaN 功率晶體管

據悉，本次 IEDM 大會展現了一系列 GaN 器件新技術，包括：英特爾的 12 英吋晶圓上的 GaN 晶體管、美國康奈爾大學的新型鋁鈧氮/氮化镓（AlScN/GaN）異質結晶體管，美國史丹福大學的 GaN 垂直型晶體管器件，日本鬆下公司的 GaN 金屬氧化物半導體場效應晶體管器件，以及香港科技大學的新型增強型 GaN 晶體管。

與此同時，中國大陸的科研團隊也在 GaN 功率器件領域取得了顯著突破。北京大學、南京大學、中國科學技術大學和南方科技大學均展示了最新的研究成果。魏進表示：「這說明中國大陸在此領域已經逐漸成為主要的技術創新者。」

同樣在本次 IEDM 大會上，魏進課題組在另一項研究中提出了一種 GaN 超結功率器件技術 [2]。該技術通過超結的電荷平衡實現了均勻的電場分佈，一方面消除了動態電阻退化，另一方面大幅提升了單位尺寸下器件耐壓能力，耐壓能力超過 1 萬伏。

值得關注的是，其性能已經超越其競爭對手碳化矽的理論極限，成為目前公開報導品質因數最高的高壓功率器件。

在同等傳輸功率下，通過提升電壓等級可以降低傳輸電流，從而顯著降低電力傳輸的損耗。該技術有望應用於智能電網、新能源技術和電動汽車等領域。

近日，相關論文以《10-kV 增強型氮化镓橫向超結晶體管》（10-kV E-mode GaN Lateral Superjunction Transistor）為題發表在 IEDM 大會[2]。

北京大學博士生楊俊傑是第一作者，魏進研究員和沈波教授擔任共同通訊作者。

一般來說，電源管理系統包含低壓控制回路與高壓功率回路。GaN 互補邏輯電路將在電源管理系統的低壓控制回路中發揮重要作用，而高壓晶體管則在高壓功率回路中起到關鍵作用。

總體來說，該課題組在 IEDM 大會報導的這兩項研究均旨在提升電力能源的使用效率和相關電力管理系統的功率密度。

魏進本科畢業於中山大學，隨後，分別在電子科技大學和香港科技大學獲得碩士和博士學位。博士畢業後，曾任職於氮化镓芯片製造公司英諾賽科，之後回到香港科技大學進行博士後研究，並繼續擔任研究助理教授。

2020 年，他加入北京大學擔任研究員。目前，其課題組專注於 GaN 基芯片的可靠性物理研究，這是新材料新技術得以實用化的重要步驟。同時，他們也在探索 GaN 異質結材料更多奇特的物理特性，致力於開發傳統矽半導體難以實現的新型半導體器件。

魏進表示，在工業界的工作經歷對他產生了深遠影響，使其能夠敏銳地捕捉到具有應用價值的技術難題。但他也意識到這是一把「雙刃劍」：「過於注重終端應用價值可能也會限制想像力。因此，我在努力掌握這二者之間的平衡。」

近年來，該課題組在 GaN 集成技術和可靠性技術方面取得了多項突破，例如其所提出的「GaN 器件動態閾值電壓理論」已經成為該領域廣泛接受的概念 [3]。此外，該團隊在集成技術方面的相關研究，解決了 All-GaN 集成芯片的關鍵技術挑戰。

目前，GaN 芯片的主要應用場景局限在消費類電子領域。未來，該團隊希望突破對 GaN 芯片可靠性物理的理解，推動 GaN 芯片進入到 AI 服務器、汽車、工業電子、機器人、無人機和電力傳輸等領域。這不僅有望顯著提升電力能源的效率，還將助力推動電子電氣設備的微型化發展。

1.T. Li, J. Wei, J. Cui, J. Yang, J. Yu, S. Liu, H. Chang, Y. Lao, H. Yang, X. Yang, J. Wang, X. Liu, Y. Wang, M. Wang, and B. Shen,Polarization Enhanced GaN Complementary Logic Circuits with Short Propagation Delay. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2024, sec. 16-1.

2.J. Yang, J. Yu, J. Cui, S. Liu, H. Chang, Y. Lao, H. Yang, T. Li, X. Yang, J. Wang, X. Liu, Y. Wang, M. Wang, B. Shen, and J. Wei,10-kV E-mode GaN Lateral Superjunction Transistor. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2024, sec. 25-3.

3.J. Wei, R. Xie, H. Xu, H. Wang, Y. Wang, M. Hua, K. Zhong, G. Tang, J. He, M. Zhang, and K. J. Chen, Charge storage mechanism of drain induced dynamic threshold voltage shift in p-GaN gate HEMTs. IEEE Electron Device Letters, 40, 4, 526-529, 2019.

4.https://news.metal.com/newscontent/102658554/-musk-discusses-the-ai-industry-power-shortage-is-imminent-and-developing-clean-energy-generation-is-a-way-out

5.https://newatlas.com/technology/elon-musk-ai/

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