比年来，跟着东谈主工智能的快速发展，AI 算力中心的能耗急剧飞腾，电力供应也濒临雄壮压力。
此前，特斯拉首创东谈主兼 CEO 埃隆·马斯克曾对 AI 所濒临的瓶颈作念出瞻望。他以为，AI 第一个阶段的瓶颈在算力芯片，而下一阶段的瓶颈将是电源管制。马斯克指出，“电力供应可能将不及以为越来越多的 AI 芯片供电。”
AI 劳动器集群的电力管制问题亟待管制，而电源管制系统占据算力中心可不雅的空间，严重抑制了算力劳动器的算力密度进步。
近期，北京大学沈波讲授和魏进究诘员团队的一项究诘为管制电源管制芯片的瓶颈提供了新的想路，也为将来 AI 算力中心的电力管制提供了新的时刻旅途。
他们冷漠了一种极化增强电离时刻，通过极化电场指令受主实足电离，显赫提高了氮化镓（GaN）基 p 沟谈场效应晶体管（p-FET，p-channel Field Effect Transistor）的载流子浓度及驱动电流密度。
在 2 微米栅长下，p-FET 展现出高达 23mA/mm 的最大电流（Imax）、6.5×107 的电流开关比（ION/IOFF）、89mV/dec 的低亚阈值斜率以及可忽略的阈值电压邋遢。
张开剩余92%图丨李腾（左一）和杨俊杰（右一），通信作家魏进究诘员（左二）和沈波讲授（右二）（起原：魏进）
此外，究诘东谈主员还展示了将 GaN 功率高电子迁徙率晶体管与 GaN 互补逻辑缓冲器的单片集成，进一步诠释了 GaN 互补逻辑电路在电源管制芯片的后劲。
通过管制 GaN 中 p 型掺杂电离率低的艰难，该究诘完了了高性能 GaN 互补逻辑电路，展示了完备的逻辑门电路功能，况且其单级时延仅为 13ns，是当今公开报谈的 GaN 互补逻辑电路的最小值。
魏进暗意：“将来的高速高压电源管制系统，开关频率将达到 MHz，咱们所完了的 13ns 时延一经充足快，有望行使在电源管制系统，并大幅度进步其功率密度。”
完了当今公开报谈的 GaN 互补逻辑电路最小时延
GaN 互补逻辑是完了高密度功率集成电路的枢纽时刻，关于鼓励电源管制系统的效用进步及体积微缩化发展具有关键的敬爱敬爱。
然则永远以来，由于零落高性能的 p 沟谈晶体管，GaN 集成电路难以罗致高效用的互补逻辑架构，抑制了高密度低损耗的功率集成电路芯片的完了。
GaN 基 p 沟谈晶体管的枢纽时刻难点在于，宽禁带半导体 GaN 中受主电离能较大，因此受主杂质电离产生载流子的比率仅为 10% 傍边。
为此，该团队以管制 GaN 基 p 沟谈晶体管电流密度低的问题为想法运转了这项究诘。他们领先的决议是通过增多沟谈厚度来进步载流子浓度，然则，这个决议对器件工艺冷漠了较高的条目，在量产方面濒临较大的挑战。
极化增强时刻的冷漠源于一次未必的发现。领先，该课题构成员李腾在究诘中尝试插入一层氮化铝（AlN）极化层来形成能量势垒，通过扼制载流子从器件背部穿过，镌汰关态走电流。
然后，究诘东谈主员无意地发现了极化增强电离效应：极化层在器件中引入了内建电势，将 GaN 中费米能级的位置举高到了受主态之上，从而使得受主态发生了实足电离。
（起原：IEDM）
GaN 是一种宽禁带半导体，其受主杂质电离能较高，导致 p 型 GaN 中受主杂质的电离率较低，费米能级接近价带，受主杂质能级与费米能级十分或略高于费米能级。
当在 p 型 GaN 中插入 AlN 极化层，极化电场产生内建电势会使 AlN 下方的能带下移，而 AlN 上方的能带则上移。关于下方的 p 型 GaN，在能带下移后，受主杂质能级位于费米能级下方，把柄玻尔兹曼踱步规矩，受主能级将一谈被电子占据，即受主能级实足电离。
电离产生的空穴在极化电场的作用下，滚动到 AlN 极化层上方，形成一个高浓度高迁徙率二维空穴气沟谈，从而显赫提高了 p 沟谈晶体管的电流密度。
魏进解释说谈：“宽禁带半导体中杂质电离能较高是其固有艰难，因此咱们将究诘重心滚动到通过极化效应增强受主电离率上，进而制备出高电流密度的 GaN 基 p 沟谈晶体管。”
图丨（a）环形颠簸器电路旨趣图。(b) 本职责中一个 15 级环形颠簸器的显微镜像片（起原：IEDM）
需要了解的是，互补逻辑电路的最关键参数是每一级逻辑电路的平均时延，而这与逻辑电路中器件的驱动电流密度斟酌。在此前的文件中，GaN 互补逻辑电路中 p 沟谈晶体管在职责电压下，电流密度最约莫为 1.6mA/mm，单级时延最小为 37ns。
而本究诘中的 GaN 互补逻辑电路中，p 沟谈晶体管在职责电压下电流密度为 4.7mA/mm，单级时延为 13ns，相较文件中的性能完了了大幅度进步。
此外，为确保芯片工艺具备较高的一致性，迪士尼彩乐园官网彩票究诘东谈主员贪图了一种自住手工艺来抑制器件制备过程的刻蚀过程，最终完了了 15 级的环振电路。
近日，干系论文以《低时延极化增强氮化镓互补逻辑电路》（Polarization Enhanced GaN Complementary Logic Circuits with Short Propagation Delay）为题，发表于在好意思国旧金山举办的第 70 届国外电子元件会议（IEDM，International Electron Devices Meeting）[1]。
北京大学博士生李腾是第一作家，魏进究诘员和沈波讲授担任共同通信作家。
图丨干系论文（起原：IEDM）
有望在两年内完成产业化考证
GaN 功率集成时刻具有渊博的行使前程。一方面，它好像用于 AI 劳动器集群的电力管制，有望有用镌汰电力损耗、减少废热的产生，并大幅度简化算力中心的散热系统贪图。
另一方面，该时刻好像有用进步电源电路的职责频率，完了电源系统的袖珍化，从而为有用提高算力中心的算力密度提供新的可能性。
当今，数字逻辑电路大普遍罗致硅材料制备，然则硅半导体在高温或强放射环境下性能受限。相对而言，GaN 材料具有远高于硅的禁带宽度，因而好像在更高温度下职责。
从永恒来看，GaN 互补逻辑电路有望大幅度拓展集成电路的行使规模，举例在国土探伤、金星探伤、汽车电子等高温环境下，为有用镌汰散热或冷却需求提供管制决议。
当今，GaN 基功率晶体管一经较为熟谙。据先容，该课题组所开拓的时刻仅需要在已有工艺基础上进行极少更正，因此不错保持较低的制形本钱。
当下，该团队已与国内多家企业开展合营，并设定了多个集中研发名目，其现阶段的重心是进步工艺的均匀性以及芯片的可靠性考证。“电源管制芯片关于可靠性条目较高，咱们但愿能在将来 1 至 2 年内完成产业化考证。”魏进暗意。
完了万伏级 GaN 功率晶体管
据悉，本次 IEDM 大会展现了一系列 GaN 器件新时刻，包括：英特尔的 12 英寸晶圆上的 GaN 晶体管、好意思国康奈尔大学的新式铝钪氮/氮化镓（AlScN/GaN）异质结晶体管，好意思国斯坦福大学的 GaN 垂直型晶体管器件，日本松下公司的 GaN 金属氧化物半导体场效应晶体管器件，以及中国香港科技大学的新式增强型 GaN 晶体管。
与此同期，中国大陆的科研团队也在 GaN 功率器件规模取得了显赫冲突。北京大学、南京大学、中国科学时刻大学和南边科技大学均展示了最新的究诘恶果。魏进暗意：“这证实中国大陆在此规模一经逐步成为主要的时刻改进者。”
相同在本次 IEDM 大会上，魏进课题组在另一项究诘中冷漠了一种 GaN 超结功率器件时刻 [2]。该时刻通过超结的电荷均衡完了了均匀的电场踱步，一方面甩掉了动态电阻退化，另一方面大幅进步了单元尺寸下器件耐压能力，耐压能力向上 1 万伏。
值多礼贴的是，其性能一经杰出其竞争敌手碳化硅的表面极限，成为当今公开报谈品性因数最高的高压功率器件。
在同等传输功率下，通过进步电压品级不错镌汰传输电流，从而显赫镌汰电力传输的损耗。该时刻有望行使于智能电网、新动力时刻和电动汽车等规模。
图丨超结 p 型 GaN 栅高电子迁徙率晶体管的结构和工艺过程（起原：IEDM）
近日，干系论文以《10-kV 增强型氮化镓横向超结晶体管》（10-kV E-mode GaN Lateral Superjunction Transistor）为题发表在 IEDM 大会[2]。
北京大学博士生杨俊杰是第一作家，魏进究诘员和沈波讲授担任共同通信作家。
图丨干系论文（起原：IEDM）
一般来说，电源管制系统包含低压抑制回路与高压功率回路。GaN 互补逻辑电路将在电源管制系统的低压抑制回路中发达关键作用，而高压晶体管则在高压功率回路中起到枢纽作用。
总体来说，该课题组在 IEDM 大会报谈的这两项究诘均旨在进步电力动力的使用效用和干系电力管制系统的功率密度。
图丨魏进究诘员课题组（起原：魏进）
魏进本科毕业于中山大学，随后，区别在电子科技大学和香港科技大学赢得硕士和博士学位。博士毕业后，曾任职于氮化镓芯片制造公司英诺赛科，之后回到香港科技大学进行博士后究诘，并连续担任究诘助理讲授。
2020 年，他加入北京大学担任究诘员。当今，其课题组专注于 GaN 基芯片的可靠性物理究诘，这是新材料新时刻得以实用化的关键才调。同期，他们也在探索 GaN 异质结材料更多奇特的物理特点，悉力于开拓传统硅半导体难以完了的新式半导体器件。
魏进暗意，在工业界的职责履历对他产生了长远影响，使其好像厉害地捕捉到具有行使价值的时刻艰难。但他也意志到这是一把“双刃剑”：“过于耀眼终局行使价值可能也会抑制设想力。因此，我在奋勉掌持这二者之间的均衡。”
T3/T4梯队：强度偏低，中高分段表现乏力
比年来，该课题组在 GaN 集成时刻和可靠性时刻方面取得了多项冲突（DeepTech 此前报谈：攻克氮化镓功率器件近 30 年艰难：北大团队研发超低动态电阻氮化镓高压器件，耐压能力大于 6500V），举例其所冷漠的“GaN 器件动态阈值电压表面”一经成为该规模庸碌接管的主见 [3]。此外，该团队在集成时刻方面的干系究诘，管制了 All-GaN 集成芯片的枢纽时刻挑战。
当今，GaN 芯片的主要行使场景局限在亏损类电子规模。将来，该团队但愿冲突对 GaN 芯片可靠性物理的融会，鼓励 GaN 芯片干涉到 AI 劳动器、汽车、工业电子、机器东谈主、无东谈主机和电力传输等规模。这不仅有望显赫进步电力动力的效用，还将助力鼓励电子电气竖立的袖珍化发展。
参考贵寓：
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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发布于：北京市