2022年04月27日
近日，西浦智能工程学院学生团队设计了一种单片集成的氮化镓芯片系统，即只用一个芯片来实现某一设备的所有功能。他们在芯片内部的电路中集成了电压基准，让电路能够自发产生恒定电压，免受外部环境的干扰，提高了芯片的稳定性和性能。相关文章被IEEE Electron Device Letter收录，该期刊是国际微电子器件领域的著名学术期刊，在国际微电子领域享有权威的学术地位和广泛的影响力。
团队成员有博士生李昂、电子科学与技术专业的沈毅和电气工程及其自动化专业的李子芊。据沈毅介绍，氮化镓是一种新兴的化合物半导体材料，相比较于传统的硅，有更高的热稳定性，更大的禁带宽度和电子迁移率，因此，以它为基础材料的芯片及其系统效率更高且尺寸更小，是新兴智能功率转换系统的理想选择，例如国内非常普遍的快速充电器很多都是用了氮化镓芯片来为手机提升充电功率与效率。
“在芯片中，如果想让电路稳定的工作，常需要输入一些基准电压以便产生准确的输出。论文中我们完成的电压基准就能够提供这样的恒定电压输入，它是一种芯片内部的精密电路，几乎不会随着电源电压、温度等外部因素变化。有了这样一个集成的电压基准可以提升芯片密度和稳定性，让使用该芯片的充电器、电动汽车甚至高铁更加高效可靠。” 李子芊解释道。
“如果没有单片集成的电压基准时，我们要使用额外的芯片去产生电压输入，这会带来空间占用、信号延时和寄生参数等问题。”她补充道。
沈毅表示：“实现氮化镓芯片的单片集成也是业界的发展方向之一， 因为单片集成可以极大提升芯片的密度比如我们的整个模块的面积只有不到0.1平方毫米。并且带来效率上的提升，从环境角度来说，能源的利用率也能够得到提高。但同时其实现对于电路集成的设计、工艺和优化也有着更高的要求，得益于课题组有完整的芯片电路模拟、版图设计、工艺制造、测试和应用的专项实验室。”
“对于本科生来说，参与科研项目需要自己补充学习大量的背景知识，从文献中找到相关内容，再结合自己的理解对电路的工作原理进行梳理，和同学讨论，最终得出一个令人信服的结论。老师、博士生学长学姐也给予了各方面的帮助，分享了很多包括实验、学术写作方面的经验；每周我们也会开展组会，大家会一起讨论学术界与业界最新最先进的进展，很多新奇的思路都在交流讨论中萌生。”他总结道。
据他们的指导老师，智能工程学院电气与电子工程系刘雯博士介绍，学院的微纳制造实验室拥有600余平方米的超净室，包括千级光刻间和万级工艺间，已具有半导体工艺成套的设备设施以及电特性、可靠性分析的平台。
她表示：“芯片设计制备需要结合物理学、电子学、材料科学、计算机科学、集成电路设计制造等多个学科。本科生参与科研和实验室项目，不但增长专业知识，促进课程学习效果，还能很好的培养动手实践能力和团队合作能力。得益于芯片设计制备和测试经验，学生毕业后既可以在各相关企业从事电子元器件制造、集成电路以及系统设计方面的工作，也可以到国际著名高校继续深造或从事科研工作。”
这已是沈毅和李子芊同学参与完成的第二篇IEEE论文，该团队在比较器和锯齿波发生器方向的工作2021年发表在IEEE Transactions on Electron Devices上。另外，作为第一和第二作者书写的关于如何提高芯片电路集成度，实现单片GaN高度集成的文章也于近日发表于国际专用集成电路会议（IEEE ASICON 2021）。
作为该论文的共同导师，曾任电子科学与技术专业负责人的Sang Lam博士表示，已故的赵策洲教授为学院在半导体制造和测试设备方面奠定了科研以及教学的基础，他在氮化镓领域的付出和成就毋庸置疑。他为发展半导体技术以及建设相关专业所贡献的力量让无数本科、硕士学生受益。
（记者：金画恬 图片来源：沈毅）
2022年04月27日