文章核心观点 - 复旦大学等研究团队在兼容CMOS工艺的单片GaN/Si CMOS异质集成芯片技术上取得进展，通过协同设计与工艺优化，成功开发出高性能、高集成度、低功耗的集成平台，为AI等领域的高频高功率密度电力电子器件提供了极具潜力的解决方案 [2][29] 异质集成技术背景与挑战 - AI、ML与自动驾驶技术的发展催生了集成芯片的多功能化需求，基于GaN的功率变换器因其低导通电阻和高电子迁移率，在转换效率与工作频率方面展现出显著优势 [4] - 当前主流方案面临挑战：PCB级驱动方案面积较大，DCFL驱动电路功耗较高，且引线键合引入高寄生参数导致开关频率受限 [4] - GaN基单片集成面临技术挑战：P型杂质难以有效激活，且电子与空穴迁移率极度不匹配（空穴迁移率μp仅为15 cm²/(V·s)，电子迁移率μn高达2000 cm²/(V·s)），阻碍了高性能互补逻辑集成电路的发展 [4] - 三维集成电路（3D-ICs）被视为实现GaN/Si CMOS异构集成的关键途径，但带来了多维度热-应力耦合挑战，芯片堆叠导致单位面积功率密度急剧上升，形成难以消散的局部热点，并可能增加寄生损耗 [5][6] 异质集成工艺与协同设计 - 研究基于3 μm 20 V工艺，对6英寸GaN/CMOS IC单片异构集成方案进行了优化与系统研究，首次实现了模拟器件工艺与GaN材料集成的协同设计 [8] - 通过对GaN HEMT采用ASM-HEMT模型、对Si CMOS采用BSIM4模型，构建了异构集成系统的完整SPICE模型 [8] - 与全GaN或全Si基技术相比，协同设计的GaN/Si CMOS异构平台面向片上集成，能够实现更高的集成密度、更小的外形尺寸，并充分发挥GaN功率器件优异的开关速度特性 [8] - 异质集成晶圆制备于一层N型外延层之上，该外延层厚度范围为7.25至7.75 μm，电阻率为2.45–2.75 Ω·cm，生长在6英寸砷掺杂硅（111）衬底上，衬底电阻率约为0.002–0.004 Ω·cm [8] - 工艺平台划分为三个功能模块：硅工艺模块（模块1）、界面工艺模块（模块2）以及GaN工艺与集成模块（模块3） [9] - 首次提出协同设计的掺杂工程方案，共同优化了GaN外延层生长的热工艺与注入杂质分布，有效抑制了P阱的穿通效应，提高了击穿电压，并实现了对阈值电压的精确调控 [9] - 该平台成功集成了包括5V/20V低压及高压CMOS器件与GaN HEMT在内的多种集成器件 [9] 平台化器件特性表征 - 对NMOS晶体管的电性能表征显示，其阈值电压（Vth）经过优化，范围在1.6 V至2.5 V之间 [13] - 对PN二极管的温度特性研究表明，其开启电压随温度升高而降低，表现出互补绝对温度（CTAT）系数约为-9.33 mV/K，比例绝对温度（PTAT）系数约为2.4 mV/K，验证了其适用于带隙基准电压源的设计 [14] - 栅宽为(2×50) μm的GaN HEMT器件，在栅源电压VGS=1.0 V时，最大漏极电流达到300 mA/mm，表明其具有高电流密度，约为同类硅基器件的40倍 [15] - 该HEMT器件的阈值电压（VTH）为-1.846 V，比导通电阻（Ron,sp）低至9.675 mΩ·cm²，表现出优于硅基功率器件的性能 [15] - 采用ASM-HEMT模型对GaN HEMT器件进行建模和参数提取，脉冲IV曲线拟合的总均方根误差仅为2.68%，表明模型能够很好地匹配HEMT的电学特性 [22] DC-DC Buck功率验证与性能对比 - 对基于全硅、全GaN以及GaN/Si CMOS异构集成技术的12V转5V DC-DC降压变换器进行了功耗分析，功率晶体管导通电阻统一设定为300 mΩ，栅长统一为1 μm [24] - 全硅基功率变换器总面积约为1.94 mm²，开关损耗（Psw）占总损耗（673.62 mW）的比例高达71.2% [24] - 全GaN功率级面积显著减小至0.021 mm²，但总功率损耗仍高达752.68 mW，主要原因是其栅极驱动电路采用DCFL逻辑，产生了显著的静态功耗 [24] - 基于GaN/Si CMOS异构集成平台实现的降压变换器，总面积与全GaN方案相当（0.023 mm²），而总功率损耗则从全GaN方案的752.68 mW大幅降至183.41 mW [27] - 所设计的DC-DC降压变换器在1A负载、1MHz工作频率下稳定工作，输出电压稳定在5V，纹波仅为10 mV [28] 结论与前景 - 该GaN/Si CMOS单片异质集成工艺平台，通过协同设计、可靠的SPICE模型及电路集成，有效克服了全GaN方案静态功耗高与全Si方案功率密度低的固有局限性 [29] - 该平台充分发挥了各器件的协同优势，显著提升了集成密度与开关性能，证实了该方案在人工智能（AI）应用领域的高性能电力电子系统中具有广阔的应用前景 [29]