刷新性能纪录！北大团队攻克氮化镓p型掺杂难题 实现互补逻辑电路单片集成

作为新一代宽禁带核心材料，氮化镓半导体凭借优异的电学性能，已然成为功率变换、射频电子等高端领域的核心材料，是下一代高频、高温、高效率电子系统的重要支撑。不过长期以来，p型掺杂技术瓶颈始终桎梏着氮化镓互补逻辑集成电路的产业化落地，成为行业亟待攻克的核心难题。

传统氮化镓p型掺杂普遍采用镁元素掺杂方案，其受主电离能达170?meV，必须依赖热激活方式完成电离过程。这一技术特性直接导致材料空穴浓度低、载流子迁移率大幅衰减，难以制备出高性能p沟道晶体管。目前业界可依托AlGaN/GaN异质结的极化效应，生成高迁移率二维电子气，造出性能优异的n型器件，但与之匹配的高性能p型场效应管（p?FET）始终难以量产突破。

过往科研尝试通过p?GaN栅极工艺制备氮化镓p型场效应管，但器件导通电流不足10?mA/mm，与n型器件的输出性能差距悬殊，无法满足互补逻辑电路对器件性能匹配的核心要求，也让氮化镓集成电路长期依赖单极器件搭建，存在功耗偏高、功能受限等诸多短板。因此，摆脱传统热激活掺杂局限，探索高效空穴生成新机制，实现同衬底n、p沟道高性能器件同步制备，是推动氮化镓逻辑电路从实验室走向产业化的关键。

针对这一行业技术壁垒，北京大学魏进研究员与沈波教授课题组取得重大科研突破，创新构建p?InGaN/p?GaN/AlGaN/GaN一体化异质结构，创新性采用界面极化掺杂技术，成功实现增强型InGaN p?FET与GaN n?FET的单片集成，彻底破解n、p器件性能失衡难题。相关成果以“Monolithically integrating polarization-doped InGaN p-FET and GaN n-FET for complementary logic circuitry”发表在《Science Advances》期刊上。

该创新结构依托p?InGaN与p?GaN界面产生的净负极化电荷，可诱导生成高密度二维空穴气，一举将p?FET电流密度提升至20.4?mA/mm，相较传统工艺实现翻倍提升，大幅缩小了高低器件性能差距。同时，结构原生保留的AlGaN/GaN界面二维电子气，可稳定支撑n型器件高效工作。此外，p?InGaN与p?GaN叠层结构可兼作功能栅极，有效耗尽二维电子气，保障n?FET持续处于稳定的增强型工作状态，器件可靠性显著提升。

依托这套全新异质外延工艺平台，北大团队成功研制出全套氮化镓互补逻辑功能单元，涵盖反相器、五级环形振荡器、与非门、或非门、RS锁存器及6T?SRAM等核心器件。经测试，该系列电路性能指标刷新行业公开纪录，其中反相器电压增益高达154.1?V/V，五级环形振荡器单级传播延迟仅10.4?ns，实现了氮化镓逻辑电路运算速度与稳定性的双重突破。

除基础逻辑单元外，研究团队还攻克了逻辑器件与高压功率器件的同芯片集成技术，实现逻辑缓冲单元与耐压1394?V氮化镓功率晶体管的一体化集成。严苛的高温工况测试验证，该技术方案可适配高频功率管理、航空航天高温恶劣工作场景，具备极强的工程应用价值。

工艺层面，该技术方案依托单一异质外延晶圆完成全部器件制备，无需复杂二次外延工序，工艺流程简洁、可控性强。所有逻辑单元均可实现轨?到?轨电压摆幅，且反相器在室温至200?℃宽温区间内，始终保持合格噪声容限，展现出优异的宽温工作稳定性。同时，同片集成的高压功率晶体管与逻辑缓冲器可协同稳定工作，在400?V总线电压下可完成精准开关操作，成功打通了逻辑控制单元与高压功率器件单片集成的技术路径。

此次北大科研成果的核心价值，在于通过极化掺杂创新机制，完美兼顾了III族氮化物体系n、p沟道器件的性能需求，根治了传统氮化镓p沟道器件电流不足的核心痛点，补齐了氮化镓互补逻辑电路的技术短板。相较于传统单极器件架构，新方案大幅降低电路功耗、拓展功能边界。

该研究不仅为氮化镓互补逻辑集成电路提供了成熟可行的全新技术路线，也为下一代高频功率管理芯片、航空航天高温电子系统的研发提供了重要技术支撑，同时为后续器件参数优化、氮化物集成电路应用场景拓展奠定了坚实的技术基础。

DOl: 10.1126/sciadv.aec4563

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