离子注入诱导成核技术实现氮化镓射频晶体管功率密度的突破性提升

《Nature Communications》：High power density gallium nitride radio frequency transistors via enhanced nucleation in heteroepitaxy

为解决GaN射频晶体管因高界面热阻和厚缓冲层导致的输出功率密度近二十年停滞不前的难题，研究人员通过离子注入诱导成核(I3N)技术在SiC衬底上实现超薄高质量AlN缓冲层外延，结合低氨压低速生长(LAPPLP)技术制备出总厚度仅460 nm的AlN/GaN/AlN异质结。该结构使整体热阻降至3.9 m2K/GW（较传统结构降低3倍），晶体管在8/30 GHz下分别实现42/20 W/mm的创纪录输出功率密度，约翰逊品质因子(JFOM)达20.6 THz·V，为高频高功率射频电子器件发展提供新路径。

　　

在无线通信、相控阵雷达和卫星通信飞速发展的今天，氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)因其宽禁带特性、高击穿电场和二维电子气(2DEG)优势，成为射频功率器件的工业标杆。然而令人遗憾的是，其核心指标——输出功率密度(P_out)已近二十年未见显著提升。究其根源，传统异质外延生长中氮化铝(AlN)成核层与碳化硅(SiC)衬底间存在的岛状成核模式，导致界面热阻(R_TB)居高不下，且为获得低缺陷密度常需微米级厚缓冲层，严重制约散热效率。这一热管理瓶颈使得GaN HEMT的性能始终无法突破理论极限。

为破解这一难题，西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授团队联合北京大学、香港大学等机构在《Nature Communications》发表研究成果，提出一种名为离子注入诱导成核(I³N)的革命性外延技术。该技术通过离子注入在SiC衬底表面制造纳米级成核位点，将传统岛状成核转变为层状生长，成功制备出厚度仅220纳米且具有原子级陡峭界面的高质量AlN缓冲层。结合低氨压低速生长(LAPPLP)技术，团队在AlN模板上生长出240纳米GaN沟道层，使有源区与SiC衬底的间距缩短至460纳米，较工业标准降低约2.5倍。

关键技术方法包括：对4H-SiC衬底进行氮离子注入以调控表面能；采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在1300°C下生长AlN缓冲层；通过LAPPLP工艺在940°C下低速生长GaN沟道层；利用时间域热反射(TDTR)技术精确测量多层结构热导率；采用电子束光刻制备T型栅极完成器件集成。

结果部分

离子注入诱导成核机制

第一性原理计算表明，氮离子注入可显著降低SiC表面成核能。透射电镜(TEM)图像证实I³N技术使AlN/SiC界面实现单原子级陡峭过渡，原子力显微镜(AFM)显示50纳米AlN薄膜的均方根粗糙度仅0.6纳米。X射线衍射摇摆曲线测得400纳米AlN的位错密度低至6.8×10⁸cm^-2，优于现有文献报道。

HEMT结构外延生长

LAPPLP生长技术使240纳米GaN薄膜位错密度降至3.2×10⁸cm^-2，阴极荧光光谱(CL)显示缺陷密度较传统方法降低5倍。拉曼光谱证实该结构具有更高压应力，允许使用更厚AlN势垒层以增强二维电子气限制。4英寸晶圆映射显示二维电子气迁移率、密度和薄层电阻分别达1360 cm²/V·s、1.9×10¹³cm^-2和248 Ω/□，均匀性优异。

热特性分析

TDTR测量显示整体热阻仅3.9 m²K/GW，为迄今GaN HEMT结构最低值。其中AlN层与AlN/SiC界面热阻之和(1.6 m²K/GW)不足传统结构的一半。研究团队认为该突破源于薄膜厚度小于声子平均自由程，促使热量以弹道传输模式高效传导。

射频GaN晶体管性能

制备的HEMT器件展现2.55 A/mm的最大漏极电流和0.92 Ω·mm的导通电阻。在8 GHz和30 GHz下分别实现42 W/mm和20 W/mm的输出功率密度，功率附加效率(PAE)达52%和30%。约翰逊品质因子(JFOM)高达20.6 THz·V，刷新所有射频晶体管的纪录。连续波测试下功率密度仅下降11.3%，证实卓越的热稳定性。

研究结论与意义

该研究通过I³N技术成功解决GaN-on-SiC材料体系的热管理瓶颈，首次实现超薄缓冲层与低热阻的协同优化。所制备射频晶体管在微波与毫米波频段均创下功率密度新纪录，突破传统频率-功率权衡限制。这项技术为ScAlN势垒、金刚石衬底等下一代GaN射频器件的发展奠定基础，对推动5G通信、卫星导航等高端电子系统具有重大战略意义。