【国际时事】KAUST实现<1mm²氧化镓栅极驱动芯片

       近日沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的先进半导体实验室（ASL）在超宽禁带半导体领域取得进展。研究团队成功研制出一种基于氧化镓的单片集成栅极驱动器芯片。

       该芯片的核心突破在于其高度集成的设计，在仅有 0.96mm² 的极小微型化足迹中，实现了电平转换和功率放大的核心功能。这一成果不仅展示了氧化镓在电力电子集成电路（Power ICs）中的巨大潜力，也为未来高功率密度电源模块的开发奠定了基础。

       传统的离散式栅极驱动解决方案往往受限于寄生电感和电容，这会降低开关速度并增大系统体积。KAUST团队开发的这款单片集成芯片通过以下技术手段解决了这些难题：

       •紧凑的电路架构：芯片采用多手指（Multi-finger）MOSFET架构和凹陷型薄膜负载电阻，将电阻-晶体管逻辑（RTL）电平转换级与推挽式（Push-pull）输出缓冲器完美集成。

       •先进的绝缘层工艺：研究人员使用了双层栅极电介质，显著降低了界面态密度，并将迟滞电压（Hysteresis）控制在 0.1 V 以下。

       •强大的驱动能力：在 0-7.5 V 的控制范围内，该驱动器可提供高达 8.4 mA 的驱动电流。

       在动态特性测试中，该氧化镓栅极驱动器展现出了优异的开关性能：

       •快速响应：驱动 840 pF 电容负载时，开启时间为 996 ns，关断时间仅为 400 ns。

       •高频潜力：其最大开关频率可达约 716 kHz，非常适合亚兆赫兹（sub-MHz）级别的电力转换应用。

       •可靠性：实验证明，在 20% 至 80% 的占空比范围内，芯片均能保持清晰且可重复的开关波形。

       相比于日益成熟的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），氧化镓拥有更宽的带隙（4.8-4.9 eV）和更高的临界击穿电场。这意味着氧化镓器件可以承受更高的电压，同时保持更小的尺寸。此外，氧化镓支持低成本的熔体法大尺寸衬底制备，具备极高的商业化前景。

       KAUST团队表示，虽然目前 SiC 和 GaN 驱动器在速度上仍有优势，但这项工作证明了氧化镓作为未来高压功率集成电路新兴平台的巨大潜力。未来的研究将重点关注高压 MOSFET 的进一步集成，并持续优化开关速度、电流密度以及低压下的噪声裕量。

       该工作发表于 Chip 杂志，题为 "Monolithic beta-Ga₂O₃ Gate Driver Integrated Circuit" 。 

       作者团队： Ganesh Mainali, Dhanu Chettri, Glen Isaac Maciel García, Mritunjay Kumar, Vishal Khandelwal, Saravanan Yuvaraja, Xiaohang Li

       原文链接：

       https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100189