Des chercheurs réalisent des circuits intégrés logiques complémentaires à base de nitrure de gallium

Des chercheurs réalisent des circuits intégrés à logique complémentaire à base de nitrure de gallium (GaN)

(a) Vue schématique de la structure du dispositif de l’onduleur logique complémentaire GaN développé à HKUST ; (b) schéma de circuit correspondant; (c) vue en perspective d’une photo en vraies couleurs de l’oscillateur en anneau complémentaire GaN à 15 étages fabriqué à HKUST. (d) tracé croisé des courbes de transfert de tension à différentes températures, et (e) dissipation de puissance statique par rapport à différentes tensions d’alimentation et tensions d’entrée de l’onduleur signalé. L’onduleur est très stable jusqu’à 200 °C avec des marges de bruit substantiellement importantes. (f) Forme d’onde oscillante et spectre de puissance correspondant de l’oscillateur en anneau rapporté. Crédit : Zheng et al. (Nature de printemps).

La plupart des circuits intégrés (CI) et des composants électroniques développés à ce jour sont basés sur la technologie silicium métal-oxyde-semiconducteur (CMOS). Comme le silicium (Si) est connu pour avoir une bande interdite étroite, cependant, ces dernières années, les ingénieurs ont essayé de développer des circuits intégrés en utilisant d’autres matériaux avec une bande interdite plus large, tels que le nitrite de gallium (GaN).

Les circuits intégrés en GaN pourraient présenter des avantages notables par rapport aux circuits intégrés conventionnels à base de silicium, notamment pour le développement d’électronique de puissance, d’amplificateurs de puissance radiofréquence et de dispositifs conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles. Cependant, jusqu’à présent, le développement de circuits logiques GaN CMOS s’est avéré très difficile, en raison de la faible mobilité intrinsèque des trous dans le matériau et de l’absence d’une stratégie appropriée pour intégrer des transistors à effet de champ à canal n et à canal p (n- FET et p-FET) sur un même substrat.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont récemment réalisé une série de circuits intégrés logiques complémentaires à base de GaN. Leur article, publié en Nature Électronique, pourrait avoir des implications importantes pour le développement de nouveaux types d’électronique.

« Notre travail sur les circuits intégrés (CI) à logique complémentaire GaN a été réalisé sur une plate-forme HEMT (transistor à haute mobilité électronique) GaN-on-Si qui domine actuellement la technologie commerciale principale des dispositifs d’électronique de puissance GaN », a déclaré le professeur Kevin J. Chen, qui a dirigé cette étude, a déclaré Tech Xplore. « Il s’agit d’une technologie planaire particulièrement adaptée à l’intégration haute densité de blocs multifonctionnels.

Pour être efficace et complet, un système de conversion de puissance nécessite à la fois des dispositifs de commutation de puissance de base, tels que des transistors de puissance et des redresseurs, et des circuits périphériques qui permettent leurs fonctionnalités de pilotage, de détection, de protection et de contrôle. Par conséquent, pour libérer tout le potentiel des HEMT de puissance GaN, permettant leur fonctionnement à haute fréquence et la réalisation de systèmes d’alimentation plus petits et plus compacts, il serait préférable que les dispositifs de commutation de puissance et les circuits périphériques soient intégrés de manière transparente sur une seule puce.

« Les HEMT GaN actuels sont tous des n-FET avec des électrons comme porteurs, donc tous les circuits périphériques sont également basés sur des n-FET », a expliqué le Dr Zheyang Zheng, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. « Cependant, les portes logiques (qui sont un constituant majeur des circuits périphériques) uniquement basées sur des n-FET, sont beaucoup moins économes en énergie que la célèbre architecture logique CMOS (complémentaire MOS) qui comporte des n-FET et p- FET. »

L’objectif principal de l’étude récente était de développer des circuits intégrés logiques complémentaires GaN ou de type CMOS compatibles avec les plates-formes HEMT de puissance GaN existantes. En raison de leurs avantages et de leur large bande interdite, ces circuits intégrés pourraient bénéficier à un large éventail d’applications technologiques, en particulier celles qui sont limitées par la bande interdite plus étroite des circuits intégrés à base de silicium.

« Nous démontrons une stratégie appropriée pour intégrer de manière monolithique les n-FET et p-FET GaN et démontrons la faisabilité de la construction de circuits intégrés logiques complémentaires à base de GaN », a déclaré Zheng. « Les portes logiques basées sur des n-FET et des p-FET complémentaires (c’est-à-dire les portes logiques complémentaires) sont les architectures les plus économes en énergie pour la mise en œuvre de circuits logiques numériques, car l’utilisation de n-FET et de p-FET complémentaires entraîne une suppression statique substantielle. dissipation de puissance aux deux états logiques (c’est-à-dire, « 1 » et « 0 » logiques), capacité d’entrée et de sortie rail-à-rail, seuil de transition logique bien placé et marges de bruit importantes.

En utilisant leur stratégie de fabrication, Zheng et ses collègues ont démontré une famille complète de portes logiques élémentaires, y compris les portes NON (onduleur), NAND, NOR et de transmission. De plus, comme les circuits intégrés complexes nécessitent des circuits logiques dotés de portes logiques à plusieurs étages, l’équipe a également démontré des circuits intégrés numériques à plusieurs étages, tels qu’une cellule de verrouillage et des oscillateurs en anneau, qui peuvent fonctionner à la fois à température ambiante et à des températures plus élevées.

« Notre étude démontre sans ambiguïté la faisabilité de la mise en œuvre de circuits logiques complémentaires à base de GaN en démontrant à la fois un ensemble complet de portes logiques élémentaires et deux circuits à plusieurs étages », a déclaré Chen. « Nos résultats impliquent que tous les circuits logiques complémentaires à base de GaN sont techniquement à portée de main. Premièrement, tous les blocs de construction sont disponibles. Deuxièmement, ils peuvent être intégrés ensemble pour des entités plus complexes. »

Pour développer leurs circuits complémentaires à base de GaN, les chercheurs ont utilisé une plate-forme commerciale HEMT de puissance de grille p-GaN. L’utilisation de cette plate-forme commerciale permet l’intégration des circuits complémentaires qu’ils ont développés avec les dispositifs de puissance existants. Dans le cadre de son étude, l’équipe a également démontré la faisabilité de cette intégration.

« En tant que démonstration de première génération avec une dimension de dispositif critique relativement importante, nos circuits peuvent déjà fonctionner à des fréquences inférieures au mégahertz », a déclaré Zheng. « On pouvait prévoir qu’une réduction d’échelle modérée des dispositifs et une amélioration supplémentaire du processus de fabrication pousseraient la fréquence de fonctionnement à des dizaines de mégahertz, ce qui satisferait confortablement les exigences des systèmes d’alimentation à base de GaN actuellement utilisés. »

Les circuits intégrés que cette équipe de chercheurs a présentés dans leur article récent sont basés sur une technologie FET à canal p GaN sur laquelle ils ont travaillé au cours des deux dernières années. En utilisant une nouvelle technique de traitement par plasma d’oxygène, Zheng et ses collègues ont pu atteindre simultanément les caractéristiques p-FET souhaitables pour la technologie CMOS, notamment un fonctionnement en mode d’amélioration, une faible fuite de grille, une densité de courant décente et un rapport de courant ON/OFF élevé.

À l’avenir, les circuits intégrés qu’ils ont créés pourraient aider au développement d’un large éventail de dispositifs technologiques, notamment des outils de conversion de puissance, de diagraphie de puits de pétrole, de contrôle de moteurs à réaction et d’exploration spatiale. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient d’étudier des moyens d’améliorer davantage leurs circuits intégrés.

« Nous allons travailler sur la réduction d’échelle des dispositifs, en particulier les transistors à canal p, pour une vitesse de fonctionnement plus élevée et une consommation d’énergie plus faible », a ajouté Zheng. « Comme ces circuits sont fabriqués sur une plate-forme commerciale GaN-on-Si pour la fabrication de HEMT de puissance GaN, nous souhaiterions collaborer avec l’industrie pour déployer des circuits logiques complémentaires GaN dans les circuits périphériques et les intégrer au HEMT de puissance pour construire des circuits plus écoénergétiques. systèmes de conversion de puissance. »


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Plus d’information:
Circuits intégrés logiques complémentaires à base de nitrure de gallium. Nature Électronique(2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00611-y.

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Citation: Des chercheurs réalisent des circuits intégrés logiques complémentaires à base de nitrure de gallium (2021, 6 septembre) récupérés le 6 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-gallium-nitride-based-complementary-logic-circuits.html

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