2014年，赤崎勇、天野浩、中村修二因发明高效蓝光发光二极管（LED）获得诺贝尔物理学奖，其核心发光材料正是宽禁带半导体氮化镓（GaN，禁带宽度约3.4 eV）。十余年来，氮化镓的应用早已超越照明赛道。依托材料合成方法革新与器件结构创新，氮化镓正沿着材料制备、微显示、功率电子、光催化制氢多方向快速拓展。基于2023年以来国际顶级期刊报道的代表性成果，可以清晰看到氮化镓材料体系的迭代路径与应用版图的持续扩张。

一、合成革新：攻克制备瓶颈，实现氮化物胶体纳米晶可加工化

金属—氮化学键键能高，赋予金属氮化物优异化学稳定性与热稳定性，但也带来合成难题：传统晶体生长需要高温环境；而且高质量氮化物单晶难以像量子点那样分散于溶剂，长期无法实现溶液法加工。三十多年来，胶体化学领域一直难以制备结晶质量良好的氮化镓纳米晶。

2024年10月，芝加哥大学Dmitri Talapin团队在《Science》报道高温熔盐胶体合成新路线，在425 ℃以上共晶熔盐体系中原位成核生长，成功获得磷化镓、砷化镓等十余种此前难以通过胶体法制备的Ⅲ‑V族半导体纳米晶[^1]。随后该团队进一步发展熔融无机盐耦合高压氨气的合成策略，制备出氮化钛、氮化钒、氮化镓等八种可分散的金属氮化物胶体纳米晶^[2]。该突破使氮化物具备类似“半导体墨水”的加工潜力，为印刷制备柔性、大面积光电器件开辟了全新路径。

二、显示升级：突破微米器件尺寸效应，挖掘深紫外与可见光Micro‑LED潜力

Micro‑LED是下一代高性能显示核心技术，长期面临“器件尺寸缩小，外量子效率随之衰减”的尺寸效应难题，限制高密度微型像素阵列的性能上限。国内多个团队围绕铝镓氮（AlGaN）、氮化镓基Micro‑LED持续攻关，取得多项标志性进展。

2024年10月，南方科技大学联合香港科技大学团队制备出波长270 nm的AlGaN深紫外Micro‑LED。该3 μm尺寸器件峰值外量子效率达5.7%，最大亮度396 W/cm²，并将其应用于无掩膜光刻演示，为微纳加工提供新型紫外光源方案^[3]。2026年，厦门大学张荣院士团队发展原位干法修复与钝化技术（IDRP），从原子尺度修复刻蚀引入的界面与晶格缺陷，有效抑制非辐射复合。基于该技术制备的2 μm蓝光、绿光Ⅲ‑氮化物Micro‑LED，峰值外量子效率分别达到64.7%与55.1%，实现对传统尺寸效应的反转，构建出“尺寸越小，性能不降反升”的反向尺寸效应，为超高密度Micro‑LED显示奠定器件基础^[4]。

三、功率迭代：刷新GaN射频器件性能纪录，支撑电力电子与射频通信

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具备高击穿场强、高电子迁移率、高频低损耗等优势，是新能源汽车电源、高密度电源模块、毫米波射频发射前端的核心器件^[5]。

2025年12月，西安电子科技大学郝跃院士、张进成团队联合北京大学、香港大学等单位，提出离子注入诱导成核的异质外延新技术，优化GaN外延层质量并降低热阻，将器件外延结构热阻降至传统方案的1/3。该GaN射频晶体管在8 GHz和30 GHz下的输出功率密度分别达到42 W/mm与20 W/mm，刷新同频段GaN射频器件的国际性能纪录，面向高频大功率雷达、无线通信基站等场景具备重要应用价值^[6]。

四、能源跨界：InGaN/GaN异质结构用于光催化分解水制氢

得益于可调带隙、良好光吸收特性与光化学稳定性，铟镓氮/氮化镓（InGaN/GaN）纳米异质结构是太阳能光催化分解水制氢的重要候选材料。

2023年1月，密歇根大学米泽田（Zetian Mi）团队开发InGaN/GaN纳米线阵列光催化体系，结合聚光太阳光，实现9.2%的太阳能‑氢能转换效率，创造当时该领域的最高记录，验证了氮化物基光催化制氢的可行性^[7]。2026年，该团队进一步设计InGaN/GaN激子量子超晶格结构，有效延长室温常压条件下间接激子寿命，降低光生载流子复合损耗，获得3.16%的稳态太阳能‑氢能转换效率，为温和条件下稳定光解水制氢提供新的材料结构思路^[8]。

从熔盐体系中诞生的胶体纳米晶墨水，到微米尺度高效发光像素，再到大功率射频晶体管与光催化制氢光阳极，氮化镓已经走出照明单一应用场景，成为新一代信息与能源基础设施的关键材料。材料合成突破与器件结构创新互为驱动，持续拓展氮化镓的技术边界，未来在光电显示、电力变换、清洁能源等领域仍有巨大发展空间。

参考文献

[1] ONDRY J C, ZHOU Z, LIN K, et al. Reductive pathways in molten inorganic salts enable colloidal synthesis of III‑V semiconductor nanocrystals[J]. Science, 2024, 386(6719): 412‑417. DOI:10.1126/science.ado7088. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7088.

[2] LIN R, KHOKHAR V, JIANG N, et al. Ammonia pressure controls colloidal metal nitride synthesis in molten salts[J]. Nature, 2026. DOI:10.1038/s41586‑026‑10801‑3. https://www.nature.com/articles/s41586‑026‑10801‑3.

[3] FENG F, LIU Y, ZHANG K, et al. High‑power AlGaN deep‑ultraviolet micro‑light‑emitting diode displays for maskless photolithography[J]. Nature Photonics, 2024, 18(11): 847‑853. DOI:10.1038/s41566‑024‑01551‑7. https://www.nature.com/articles/s41566‑024‑01551‑7.

[4] YAN J, LI J, LI G, et al. In situ dry repair and passivation unlocks size‑independent performance in III‑nitride micro‑LEDs[J]. Nature Photonics, 2026. DOI:10.1038/s41566‑026‑01990‑4. https://www.nature.com/articles/s41566‑026‑01990‑4.

[5] TU C C, HUNG C L, HONG K B, et al. Industry perspective on power electronics for electric vehicles[J]. Nature Reviews Electrical Engineering, 2024, 1: 435‑452. DOI:10.1038/s44287‑024‑00055‑4. https://www.nature.com/articles/s44287‑024‑00055‑4.

[6] ZHOU H, ZHANG C, ZHANG K, et al. High power density gallium nitride radio frequency transistors via enhanced nucleation in heteroepitaxy[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 7892. DOI:10.1038/s41467‑025‑67248‑9. https://www.nature.com/articles/s41467‑025‑67248‑9.

[7] ZHOU P, NAVID I A, MA Y J, et al. Solar‑to‑hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting[J]. Nature, 2023, 613(7942): 66‑70. DOI:10.1038/s41586‑022‑05399‑1. https://www.nature.com/articles/s41586‑022‑05399‑1.

[8] PAN Y, ZHANG B, YE Z, MI Z. Excitonic quantum superlattices for efficient photocatalytic water splitting[J]. Nature Energy, 2026. DOI:10.1038/s41560‑026‑01972‑4. https://www.nature.com/articles/s41560‑026‑01972‑4.

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