氮化镓高压晶体管正在快速进入以快充为代表的千亿级的电力电子市场，并且未来在汽车电子和工业电子等领域拥有着广泛的应用前景。此前，氮化镓电力电子器件陆续克服了八英寸GaN-on-Si大尺寸外延技术，电流崩塌，以及p-GaN栅极增强型技术等诸多难题。然而，其竞争对手硅基电力电子芯片大多是单片集成电路（Power ICs）或功率模块（Power modules）。因此，我们迫切需要开发氮化镓高压单片集成电路，以便降低成本，简化系统设计，抑制互连造成的寄生电感，并和硅基芯片争夺市场。
Power ICs中除了大尺寸的高压大功率器件外，还包括众多的驱动电路和保护电路，并且需要复杂的BCD以及深槽隔离技术。由于缺乏GaN pFET，我们无法制备GaN CMOS电路，这对GaN power ICs的设计造成了巨大的困难。Intel在2019年的IEDM会议上报道了硅pFET和GaN nFET的异质集成技术，该方案在短期内有着巨大的应用价值。长期来讲，开发GaN pFET是必须要解决的难题。
近日，欧洲微电子中心IMEC的李祥东博士等人在本文提出了使用 Resistor-transistor logic（RTL）结构替代CMOS结构的方法。常规的CMOS电压比较器（comparator）采用五管结构即可实现较高的电压增益，然而由GaN RTL逻辑设计的比较器的电压增益远小于CMOS逻辑。因此，该文提出了GaN RTL三级比较器电路（图1.a），并采用与CMOS兼容的工艺成功制备了八英寸GaN-on-SOI集成电路。图2展示了GaN比较器输出电压信号良好的翻转特性。作者还进一步展示了基于该比较器的低压关断保护电路。

图1. GaN RTL比较器（a）电路和（b）显微镜照片。

图2. GaN RTL比较器的电压传输特性。
此前，该课题组还在IEDM和IEEE EDL上发表过多篇基于RTL逻辑的GaN高压集成电路。本文成功验证了GaN RTL逻辑能够有效应用于逻辑电路的核心模块-比较器，此工作为实现GaN高压器件与驱动电路和保护电路的完全集成奠定了基础。未来all-GaN power ICs有望成为硅基电力电子芯片的强有力的竞争对手。
Integration of GaN analog building blocks on p-GaN wafers for GaN ICs
Xiangdong Li, Karen Geens, Nooshin Amirifar, Ming Zhao, Shuzhen You, Niels Posthuma, Hu Liang, Guido Groeseneken, Stefaan Decoutere
J. Semicond. 2021, 42(2): 024103
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/024103
Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/2/024103?pageType=en