一种基于化合物半导体的逻辑运算装置

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种基于化合物半导体的逻辑运算装置。

背景技术

近年来宽禁带氮化镓(GaN)以其优越的材料性能，已成为功率应用领域的新兴材料，在光电、射频、电子等领域成为先进材料。在电力电子方面因其高频、高压、高温特性，已经逐渐渗透到适配器、模块电源、车载电源等领域。无论是电力电子还是其他领域的应用中，GaN器件的角色主要是作为一种模拟器件起到开关(HEMT)、发光(LED)等作用，尚无成熟的数字逻辑方面的应用。这主要是因为目前GaN基半导体材料的主要导电行为大多依赖其自发极化所产生的n型载流子，而相对而言其p型载流子的获得十分困难。GaN的p型掺杂无论是杂质浓度还是空穴激活效率均不及预期，目前已经报道的p型载流子沟道器件或结构复杂或性能偏低，较实际应用仍存在一定的距离，这就使得GaN器件较难实现载流子输运行为的互补。而传统半导体器件如硅基p、n型MOSFET具有天然的互补载流子输运行为，且p型掺杂工艺和性能成熟，使得其在数字逻辑电路的基础器件—反向器的设计中成为优选。而GaN器件的反向器开发受制于仅有n型器件可用的条件，如果采用如图1和图2类似NMOS反向器的结构会面临诸如开态功耗大、不利于集成、无法实现轨到轨输出的问题。虽然有研究者采用两组反向器分别控制两个增强型器件的方法实现轨到轨输出，但需要使用数倍于所需器件的电路，不利于大规模集成和成本控制。

发明内容

基于上述缺陷,本发明的主要目的在于提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，为基于GaN材料HEMT平面工艺的集成式逻辑反向器。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，HEMT结构分为上、下管，均为增强型器件，即栅极未加电压时器件通路关闭；所述上管的栅极设置有开关电路，其中泄流管设置在上管栅极和公共地Vss之间，在泄流管和上管栅极之间设置横向整流器件LFR，在横向整流器件LFR和输出端之间放置一个第一电阻，连接上管和下管的栅极作为输入端输入信号。

作为本发明的进一步方案，上管阈值电压V

作为本发明的进一步方案，上管与下管串联，形成“电源-上管-下管-接地”的结构，上管与下管连接处为输出端。

作为本发明的进一步方案，所述开关电路为GaN HEMT作为泄流管放置在上管栅极和输出端之间，泄流管的阈值电压V

作为本发明的进一步方案，所述横向整流器件LFR正极与上管栅极连接，负极与泄流管栅极连接。

作为本发明的进一步方案，横向整流器件LFR的开启电压设置为高于或等于上管阈值电压V

作为本发明的进一步方案，LFR器件和输出端之间第一电阻的电阻值高于泄流管开态电阻，电阻与泄流管连接端到输出端之间再放置第二电阻。

作为本发明的进一步方案，所述第二电阻采用二维电子气电阻或薄膜电阻。

作为本发明的进一步方案，所述第二电阻为薄膜电阻。

作为本发明的进一步方案，所述输入端的输入信号为：低电平值低于下管阈值V

作为本发明的进一步方案，低电平输入时，下管栅极电压等于输入信号电平，下管处于关闭状态，LFR两端电压等于输入电平电压，低于开启电压，LFR处于关闭状态；输入信号接入上管栅极，控制上管打开，输出端电压上升直至电源电压Vcc为高。

作为本发明的进一步方案，高电平输入时，下管栅极电压等于输入信号电平，下管开启使输出端接地；LFR两端电压高于开启电压，此电压下LFR开启导通，将输入信号电平作用在泄流管栅极，栅极电压等于输入信号减LFR开启电压，上管栅极与输出端导通，上管关闭，输出端接地输出0电平。

相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，作为GaN基HEMT为基础的逻辑反向器，典型特点是利用平面GaN HEMT工艺单片集成不同阈值(V

(1)相较于传统硅基器件可以提供更高功率密度，更快的工作频率。

(2)采用全增强型器件无负载管，不依赖大电容实现轨到轨输出，降低功率损耗，节约芯片成本。

(3)在同一工艺内制备不同阈值的HEMT结构，提高器件的集成度，实现非传统的电平逻辑转换。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：

图1为现有技术中类似NMOS反向器的结构示意图；

图2为现有技术中类似NMOS反向器的输入输出状态的示意图

图3为本发明的一种基于化合物半导体的逻辑运算装置的电路示意图；

图4为本发明图3中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中低电平输入时的电路示意图。

图5为本发明图3中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中高电平输入时的电路示意图。

图6为本发明图1中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中输出状态示意图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

由于现有的常见GaN基反相器存在明显的缺陷，如图1和图2所示：采用类似NMOS的结构，由一个开关管和一个负载(管)组成，依靠两个管子尺寸的设计来实现不同的分压等级，进而实现高低电平转换。因为在开关管开态的时候负载和开关均导通，存在很明显的漏电路径浪费了功耗；因为两只管子的尺寸参数需满足一定限制，R

鉴于此，本发明提供了一种提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，具体为一种基于GaN材料HEMT平面工艺的集成式逻辑反向器。基于n型载流子的GaN HEMT工艺，采用全增强型器件集成的方式实现反向器功能；引入阈值可调制的GaN HEMT工艺，实现区别于传统0/1到1/0转换逻辑的1/n(n代表低电平非0)到0/1高低逻辑；在不实用大规格电容的基础上实现轨到轨输出，降低了整体功耗。

参见图3至图6所示，本发明的一些实施例提供了一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，HEMT结构分为上、下管，均为增强型器件，即栅极未加电压时器件通路关闭；所述上管的栅极设置有开关电路，在泄流管和上管栅极之间设置横向整流器件LFR，在横向整流器件LFR和输出端之间放置一个第一电阻，连接上管和下管的栅极作为输入端输入信号。图4、图5所示电路图中以虚线标识的器件意味着该器件在此工作状态下处于关闭状态，可视为断路。

参见图3所示，在氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，其中分为上、下管，均为增强型器件，即栅极未加电压时器件通路关闭。上管阈值电压V

参见图3所示，在上管的栅极设置开关电路，具体为小规格GaN HEMT作为泄流管放置在上管栅极和输出端之间，其阈值电压V

在本实施例中，通过二维电子气电阻或薄膜电阻工艺在LFR器件和输出端之间放置一个电阻，电阻值应显著高于泄流管开态电阻；可选方案是在上述电阻与泄流管连接端到输出端之间再放置电阻，阻值在可以接受的范围内尽可能大，可以采用二维电子气电阻或薄膜电阻，优选薄膜电阻。

在本实施例中，泄流管开态电阻值和可选电阻值的设定应考量上管栅极电荷、驱动电压、工作频率的情况，确保不影响器件工作的情况下尽可能降低芯片面积和功耗。

在本实施例中，连接上管和下管的栅极作为输入端，输入信号为：低电平值低于下管阈值V

其中，电路内各点初始电压为0。

在低电平输入时(低电平需大于小于V

高电平输入时(高电平需大于V

上述工作状态中无论是高转低或是低转高，上下管始终保持一个开启、一个完全关闭的状态，无电源漏电路径且实现轨到轨输出，如图6。

在本实施例中，上管栅极的连接电路中存在高电平输入时泄放电流的路径，但一般输入信号的等级较电源等级小，且可以通过可选电阻来抑制功耗，有利于实现较低的功耗。

需要说明的是，本发明是一种氮化镓器件集成的设计方法，可以使用于不同的制程工艺，不依赖特定配方和材料。器件具体参数的设置可以根据不同的电源规格以及应用场景进行定制，只要满足上述方法原则，不拘泥于固定的数值；器件的连接方式可以根据不同工艺的特点选择具体的连接方式，包括金属层材料、制备方法等；控制器的集成方式可以根据具体设计和工艺而采用分立器件、封装集成、片内集成等方式。

本发明提出了一种GaN基HEMT为基础的逻辑反向器，典型特点是利用平面GaNHEMT工艺单片集成不同阈值的增强型HEMT实现轨到轨的电平反相转换，其优势是：

(1)相较于传统硅基器件可以提供更高功率密度，更快的工作频率。

(2)采用全增强型器件无负载管，不依赖大电容实现轨到轨输出，降低功率损耗，节约芯片成本。

(3)在同一工艺内制备不同阈值的HEMT结构，提高器件的集成度，实现非传统的电平逻辑转换。

在一些实施例中，还可以使用封装内集成的方式连接主管与旁路，或者LFR可以使用垂直工艺的肖特基二极管代替。泄流管或者第二电阻也可以使用与系统输出端连接的方式代替。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。