【国际论文】KAUST开发出首个单片集成氧化镓门极驱动集成电路RTL反相器

        由阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Monolithically Integrated RTL-Based Inverters for Gate Driver IC Using β-Ga₂O₃ MOSFETs（基于 β-Ga₂O₃ MOSFET 的门极驱动IC的单片集成 RTL 反相器）的文章。

        β-Ga₂O₃ 具有优异的功率电子性能指标和可行的晶圆制备工艺，推动了其在功率器件领域的研究进展，并逐步接近商业化。下一步的发展方向是面向功率开关应用的集成电路化，其中门极驱动器与功率 MOSFET 的单片集成可有效降低寄生效应、提升开关速度与稳定性。由于 β-Ga₂O₃ 缺乏高性能 p 通道器件，其逻辑电路拓扑选择与 GaN 类似，RTL 成为简便可行的实现方式。现有研究虽验证了 β-Ga₂O₃ 器件的潜力，但在高频、高功率应用中的驱动电路仍存在速度和集成度不足的挑战。因此，开发高性能、可单片集成的基于 β-Ga₂O₃ 的门极驱动电路，成为推动其功率 IC 商业化的重要一步。

        门极驱动器通过提供快速开关所需的驱动电流，实现功率 MOSFET 与数字控制电路之间的接口。本研究展示了一种基于 β-Ga₂O₃ 电阻–晶体管逻辑（RTL）反相器的单片集成门极驱动集成电路（IC），其采用增强型多指（MF）MOSFET 和凹槽外延电阻。该芯片面积为 0.785 mm²，集成了两个非反相配置的 RTL 反相器，在 15 V 电源下实现了11.9 和 12.2 V/V 的电压增益，并分别展现出高/低噪声容限为 3.4/1.3 V 和 3.0/1.6 V。动态特性表明，在 5 V 控制输入下，其开关速度达到 9.4 μs，输出电压摆幅可达 15 V。这些结果验证了基于 RTL 的门极驱动器在 β-Ga₂O₃ 功率 IC 中的适用性，并突显了其在可扩展单片集成方面的潜力。

        本工作设计、制备并表征了一种基于 β-Ga₂O₃ 增强型 MOSFET 和凹陷外延电阻器的单片集成 RTL 栅极驱动 IC。RTL 反相器实现了超过 12 V/V 的电压增益，具有良好的噪声裕度，并支持级联操作。静态表征显示器件具有高开关电流比（>10⁹）、阈值电压 V_TH 为 2.4 V，以及单位面积导通电阻 R_ON,sp 为 16.8 m·cm²。动态开关测试显示器件上升/下降时间分别为 4.8/4.6 µs，最大开关频率可达 106.4 kHz，其性能受 MOSFET 电容和互连寄生效应限制。C–V 测试揭示了栅-漏电容随漏极偏置变化的依赖性，而接近 150 V 的击穿电压证明了器件的可靠性。这些结果验证了基于 RTL 架构在紧凑型、高压 β-Ga₂O₃ 功率 IC 中的应用潜力，并为超宽带隙电子器件的可扩展单片集成奠定了基础。

Fig. 1. (a) SEM 图像显示了制备好的栅极驱动 IC。 (b) 放大图显示了电阻器的尺寸。 (c) 放大图显示了栅极区域的尺寸。 (d) MF MOSFET 凹陷区的 TEM 图中 EDX 映射，显示该区域元素的空间分布。 (e) MF MOSFET 的横截面示意图，突出不同外延层。

Fig. 2. (a) M_D1（实线）与 M_D2（短虚线）的转移特性。(b) M_D1（实线）与 M_D2（短虚线）的输出特性。(c) MF MOSFET 的电容与 V_DS 关系曲线。(d) MF MOSFET 的击穿电压测量。

Fig. 3. (a) RTL₁ 的负载线图。 (b) RTL₂ 的负载线图。 (c) RTL₁ 反相器的转移特性及增益曲线（插图）。 (d) RTL₂ 反相器的转移特性及增益曲线（插图）。

Fig. 4. (a) RTL₁ 反相器的噪声裕度计算蝶形图。 (b) RTL₂ 反相器的噪声裕度计算蝶形图。 (c) RTL₁ 的静态功耗。 (d) RTL₂ 的静态功耗。

Fig. 5. (a) 栅极驱动 IC 开关测量系统示意图，标注不同节点的电容和电阻。 (b) 测量得到的开关波形，表示各电压节点（V_in1, V_out1, V_out2）。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3602753