1 工作简介

         ——突破性能瓶颈！新型氮化镓射频晶体管实现功率密度新纪录

在无线通信、相控阵雷达和卫星通信等高频高功率应用领域，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借宽禁带、高击穿场强和高电子迁移率等固有优势，已成为工业界的核心器件选择。然而，近二十年来，受限于厚成核层及其与衬底界面的高热阻，氮化镓晶体管的输出功率密度纪录一直停滞不前，难以满足下一代射频电子系统对更高功率密度射频器件的需求，成为制约其技术升级的关键瓶颈。

针对这一行业痛点，西安电子科技大学、北京大学、香港大学及中国电科集团第五十五研究所等单位的研究团队联合攻关，实现氮化镓射频晶体管20年来功率密度提升的最大突破，在Nature Communications发表了题为“High power density gallium nitride radio frequency transistors via enhanced nucleation in heteroepitaxy”的重要研究成果，并在2025年半导体器件顶级会议IEDM上做主旨报告。

团队创新性地提出了离子注入诱导成核（I³N）技术，通过在碳化硅衬底上进行氮离子注入，构建纳米至微米尺度的表面成核位点，成功抑制了传统的岛状成核模式，实现了薄膜的层状成核、快速融合及缓冲层厚度的大幅缩减，同时保持了低位错密度和高结晶质量，使外延层总热阻急剧下降，成功将氮化镓射频晶体管的功率密度提升至国际最高水平，为高频高功率射频电子器件的发展开辟了新路径。

本研究的核心创新点如下：

1. 首创离子注入诱导成核技术，突破传统成核瓶颈。通过离子注入在碳化硅衬底表面构建有序成核位点，使氮化铝成核层呈现层状生长模式，形成原子级平整的异质界面，彻底消除了传统岛状成核带来的界面粗糙和高缺陷密度问题。所制备的外延结构总热阻低至3.9 m²·K/GW，仅为以往各类氮化镓高电子迁移率晶体管外延结构的三分之一，并观测到类声子弹道输运特性。

2. 开发出低氨分压低速生长工艺，实现高质量超薄氮化镓沟道层制备。针对超薄氮化镓沟道层的生长难题，团队优化出专用生长技术，在离子注入诱导形成的氮化铝模板上，成功制备出厚度仅200 nm的高质量氮化镓沟道层，其位错密度低至1.68×10⁸ cm^-²，远优于传统微米级厚度氮化镓薄膜的晶体质量，同时保持了优异的电学均匀性，4英寸晶圆范围内的二维电子气迁移率、面密度和薄层电阻分别达到1360 cm²/(V·s)、1.9×10¹³ cm^-²和248 Ω/□。

3. 器件性能刷新多项纪录，展现卓越应用潜力。基于该诱导成核技术制备的射频晶体管，实现了20.6 THz·V 的创纪录约翰逊品质因数（JFOM）。在射频性能测试中，8 GHz（X 波段）下输出功率密度达到42 W/mm，30 GHz（Ka波段）下达到20 W/mm，分别较此前国际最高纪录提升30%和43%，即使在连续波工作条件下性能衰减也控制在11.3%以内，展现出优异的稳定性和实用性。

该研究通过成核机制创新与生长工艺优化的协同突破，成功解决了氮化镓射频晶体管长期面临的热阻与厚度、功率密度与可靠性之间的矛盾。其核心技术不仅适用于现有氮化镓基射频器件，还可拓展至氮化铝、金刚石、氧化镓等半导体器件体系，为下一代更高性能射频电子器件的研发提供了关键技术支撑。未来，结合衬底减薄、液冷散热、金刚石热沉等先进热管理技术，该器件技术有望实现进一步性能跃升，在5G-A/6G 通信、先进雷达等领域发挥核心作用，推动射频电子技术迈入更高功率密度、更高效率的新阶段。

2 主要作者简介

第一作者

周弘，西安电子科技大学教授，国家基础人才专项入选者，国家自然基金委优秀青年基金获得者。

从事宽禁带半导体氮化镓、氧化镓和氮化铝等微波功率与电力电子器件研究。获省部级技术发明奖一等奖2项，教育部青年科技奖1项。以第一或通讯作者在领域顶级期刊和会议包括Nat. Comm.、Sci. Advances、IEDM、VLSI、IEEE EDL/TED/ TPE/TIE、APL等上发表论文80余篇。研究成果被国际知名行业杂志Compound Semiconductor、Semiconductor Today等近20次报道，在国际会议做特邀或口头报告20次，Google学术引用超过8500次。

通讯作者

张进成，西安电子科技大学教授，副校长，国家自然基金委创新研究群体带头人，国防科技创新团队带头人，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，何梁何利基金科学与技术创新奖获得者。

长期从事宽禁带固态射频器件与功率器件研究，发表高水平论文400余篇，出版学术专著5部，授权发明专利150余项，做特邀报告50余次，Google学术引用超过18000次，成果20余次被国际行业杂志Semiconductor Today、Compound Semiconductor专题报道。研究成果在我国5G通信基站、北斗导航卫星、航母、预警机等重大工程中成功应用。获国家技术发明二等奖2项，省部级科技一等奖8项。

通讯作者

张雅超，西安电子科技大学教授。

主要从事新型宽禁带半导体材料与器件研究，发表学术论文110余篇，主持国家重大专项课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等国家级项目，获中国电子学会技术发明一等奖、陕西省自然科学一等奖，获授权发明专利20余项。

通讯作者

程哲，北京大学集成电路学院研究员，博雅青年学者，未名青年学者。 

主要研究方向为微纳电子器件的热管理、热测量、异质集成、热测试设备等。博士毕业于美国佐治亚理工学院Sam Graham课题组，日本名古屋大学特别研究学生，师从诺奖得主天野浩院士，后在美国伊利诺伊大学-香槟分校（UIUC）进行博士后训练，合作导师为David Cahill院士。在Nat. Comm.、IEEE IEDM、APL等国际知名期刊和顶级会议上发表论文60余篇，受邀撰写书章节3章。多次受邀担任行业主要国际会议分会主席/共同主席/组织者和做特邀报告，获国际先进材料协会先进材料科学家奖章、国家优秀自费留学生奖学金。主持国家自然科学基金面上项目、优青（海外）项目、原创探索计划项目；主持国家重点研发计划课题、发改委F项目课题、企业横向项目等。

通讯作者

张宇昊，香港大学教授，香港大学先进半导体与集成电路中心副主任。

在加入香港大学之前，他曾是美国弗吉尼亚理工大学的Shirish S. Sathaye副教授。他于2017年和2013年分别获得麻省理工学院电气工程的博士和硕士学位，2011年获得北京大学的物理本科学位。他已发表超过200篇论文（通讯作者论文包括5篇Nature或Science子刊论文、21篇IEDM会议论文、以及20余篇T-PEL论文），并合著2章书籍，拥有8项美国专利。他是超过10篇亮点/特色/获奖论文的共同作者。其研究成果被引用超过12,000次，h指数为57，广泛报道于Nature Electronics、Semiconductor Today、Compound Semiconductors、EE Times等媒体，累计报道超过100次。 他曾获得麻省理工学院微系统技术实验室的博士论文奖、两次IEEE George Smith奖（IEEE Electron Device Letters年度最佳论文奖）、四次IEDM技术亮点奖、IEEE William M. Portnoy奖（ECCE会议最佳论文奖）、美国科学基金会青年基金奖（NSF CAREER Award）、弗吉尼亚理工大学的杰出助理教授奖和Faculty Fellow奖、美国海军研究办公室（ONR）青年研究员奖、化合物半导体青年科学家奖、何享健青年科学家奖。他的学生获得了IEEE电力电子学会的博士论文演讲奖以及多项APEC最佳报告奖。他担任IEEE TPE的副编辑，以及多个会议（如IEDM、IRPS、EDTM、APEC、ECCE、WiPDA）的技术程序委员会委员。

通讯作者

郝跃，中国科学院院士，国家自然基金委信息学部主任，西安电子科技大学教授，学术委员会主任，陕西省侨联主席，九三学社第十四届中央委员会常委，国务院学科评议组(电子科学与技术一级学科)召集人、教育部电子信息教学指导委员会主任委员，国家重大基础研究计划(973计划)项目首席科学家，第九、第十、第十三届全国政协委员和第十一届全国人大代表。荣获何梁何利基金科学技术奖、全国教书育人楷模、全国高校黄大年式教师团队带头人、陕西省最高科学技术奖等。

长期从事新型半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在第三代(宽禁带)半导体材料和微波器件、电力电子器件、短波长光电器件、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。研究成果广泛应用于5G通信、北斗导航、新型雷达等众多领域，为我国第三代半导体电子器件步入国际领先行列作出了重要贡献，获得国家技术发明奖二等奖1项，国家科技进步奖二等奖2项，国家级教学成果一等奖1项和二等奖1项。获授权国家发明专利300余项，出版专著10余部，在国内外著名期刊上发表学术论文800余篇。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67248-9