西安电子科技大学张进成教授，香港大学张宇昊教授，北京大学程哲研究员 NC：过异质外 ...

西安电子科技大学张进成教授、张雅超教授，香港大学张宇昊教授，南京电子器件研究所陈堂胜研究员，北京大学程哲研究员等人发表了题为 High power density gallium nitride radio frequency transistors via enhanced nucleation in heteroepitaxy的工作于Nature Communications期刊上

本文提出一种通过离子注入诱导成核（I3N）在SiC衬底上实现高质量超薄AlN/GaN异质外延的新方法，解决了传统岛状AlN成核层导致的高热阻与厚缓冲层问题。最终制备的GaN射频高电子迁移率晶体管（HEMT）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，创下X波段与Ka波段新纪录，同时热阻降至3.9 m2·K/GW，为此前报道的三分之一。

背景

GaN HEMT因其高击穿场强、高电子迁移率和高饱和速度，成为射频功率器件的首选。然而，传统AlN成核层呈岛状生长，导致晶格失配、热阻高、缓冲层厚，限制了近二十年来输出功率密度的提升。尽管采用金刚石或硼砷化物等高热导衬底，但厚GaN缓冲层与低质量AlN/SiC界面仍是瓶颈。

主要内容

研究团队采用氮离子注入SiC衬底，形成纳米至微米级成核位点，诱导AlN层以层状模式生长，实现原子级平整界面。通过低氨分压低速（LAPPLP）生长技术，在220 nm AlN缓冲层上成功生长240 nm高质量GaN沟道层，总外延厚度仅460 nm。该结构显著降低热阻，提升热管理效率，同时保持高击穿电压与低缺陷密度。最终制备的T型栅HEMT在X波段和Ka波段均实现创纪录的输出功率密度与功率附加效率。

实验细节

实验使用4英寸4H-SiC衬底，经氮离子注入（剂量1×1012 cm⁻2，能量40 keV）后，在MOCVD系统中依次生长220 nm AlN缓冲层（1300 °C，V/III比1500）、240 nm GaN沟道层（940 °C，V/III比9800，生长速率300 nm/h）及5 nm AlN势垒层（1050 °C，V/III比1200），最后覆盖2 nm SiN钝化层。器件采用Ti/Al/Ni/Au欧姆接触和Ni/Au T型栅（栅长150–250 nm），通过ALD沉积40 nm SiO₂钝化。

创新点

1. 离子注入诱导成核（I3N）：通过氮离子注入在SiC表面引入成核位点，抑制岛状生长，实现AlN层状成核与原子级平整界面。
2. LAPPLP生长技术：低氨分压与低速生长结合，提升GaN原子迁移率，降低缺陷密度至1.68×10⁸ cm⁻2。
3. 超薄异质结构：总外延厚度仅460 nm，热阻降至3.9 m2·K/GW，为传统结构的三分之一。
4. 高功率密度HEMT：在8 GHz和30 GHz下分别实现42 W/mm和20 W/mm输出功率密度，功率附加效率达52%和30%。
5. 热管理优化：通过减少缓冲层厚度与提升界面质量，实现高效热传导，支持高电压（>100 V）工作。

结论

I3N技术通过调控成核机制，成功解决了GaN-on-SiC外延中的热阻与厚度瓶颈，为下一代高频高功率射频器件提供了可行路径。该研究不仅刷新了输出功率密度纪录，还为超薄缓冲层设计和高热导衬底集成提供了新思路。

图文内容

图1：AlN外延生长的I3N技术。a SiC衬底上I3N生长层状AlN的示意图及b横截面TEM图像，图1b中观察到原子级陡峭的单晶AlN/SiC界面。c传统岛状AlN在SiC衬底上的横截面TEM图像。d经过与未经过N离子注入的SiC衬底表面电势对比。e相同50nm厚度下I3N生长AlN与传统岛状AlN的表面粗糙度(RMS)对比（图1d和1e的扫描宽度均为5μm）。f I3N方法制备的AlN位错密度与厚度（50nm至6μm）在蓝宝石、SiC和Si衬底上与其他先进AlN薄膜的性能对比（数据引自文献(24)-(38)）。

图2：GaN HEMT外延结构的生长与表征。a LAPPLP法在I3N生长AlN上制备GaN与传统岛状AlN层上生长GaN的示意图对比。b 厚度240nm的LAPPLP生长GaN薄膜与传统GaN薄膜在5μm扫描宽度下的表面粗糙度对比。c 240nm厚度GaN薄膜的阴极发光(CL)测试结果（LAPPLP生长与传统生长对比）。d LAPPLP方法制备的GaN位错密度随外延厚度变化与其他先进GaN薄膜（基于不同衬底）的性能对比（数据引自文献(41)-(51)）。e 本工作制备的薄层异质结构与常规工业异质结构的拉曼测试结果对比。f 4英寸晶圆上AlN/GaN/AlN异质结构的薄层电阻分布图。

图3：GaN HEMT多层结构热特性表征。a 具有I3N生长220nm AlN缓冲层和LAPPLP生长240nm GaN沟道的结构A(S-A)四种多层结构示意图及对应不同刻蚀窗口的测量序列。b 商用晶圆结构B(S-B)的多层结构示意图及测量序列（GaN沟道/缓冲层厚度1.28μm，AlN成核层17nm）。c S-A四个刻蚀窗口的实验TDTR比率数据及拟合曲线（测量序列同图3a）。d S-B两个刻蚀窗口在两种调制频率下的实验TDTR比率数据及拟合曲线（测量序列同图3b）。e S-B结构中Al/GaN热边界导纳G1、GaN热导率k1及GaN/SiC热边界导纳G2在不同调制频率下的灵敏度曲线。f S-A与S-B结构中主要层热阻(RT)及异质界面热阻(RTB)分量对比。g GaN HEMT总热阻与总外延层厚度对比。

图4：GaN射频HEMT的结构与直流特性表征。a 4英寸晶圆上制备的AlN/GaN/AlN HEMT照片及包含器件阵列的小面积(1cm×1cm)芯片放大视图。b 具有T型栅结构的AlN/GaN/AlN HEMT截面示意图及双栅器件(栅指数量2×50μm)的俯视图，右侧为确认栅极根部长度LG=150nm的T型栅结构截面SEM图像。c LSD=1.4/2.3μm、固定LG=150nm的AlN/GaN/AlN HEMT线性坐标输出特性，实现了>2.5A/mm的最大漏极电流(ID,max)和<1Ω·mm的导通电阻(Ron)。d LSD=1.4-5.5μm器件在VDS=10V下的线性坐标ID-VGS-gm转移特性，得益于良好的栅控能力和低寄生电阻，获得0.3-0.6S/mm的峰值跨导(gm)。e LSD=1.4μm代表器件在VDS=1/4/7/10V下的对数坐标ID-VGS-IG曲线，显示出~109的高开关比、85mV/dec的低亚阈值摆幅(SS)和15mV/V的低漏致势垒降低(DIBL)。f LSD=1.4-5.5μm代表器件的三端关态击穿特性。

图5：器件射频功率特性与性能基准。a LSD=2.3μm的AlN/GaN/AlN HEMT在VDS/VGS=10/-4V下的小信号射频性能，实现了fT/fmax=117/173GHz。b LSD=5.5μm、W=6×50μm器件在VDS=120V、8GHz频率下，以及c LSD=2.3μm、W=2×50μm器件在VDS=45V、30GHz频率下的大信号功率扫描（均采用100μs脉宽、10%占空比条件）。器件工作于AB类偏置状态，分别在8GHz和30GHz频率下实现了42W/mm和20W/mm的创纪录输出功率密度(Pout)。d JFOM fT×BV与fT的性能对比，以及e X波段和f Ka波段Pout与功率附加效率(PAE)的基准测试结果（包含本工作器件与文献报道的Si、GaAs、金刚石和Ga2O3等钝化射频功率晶体管的对比数据，图中同时标注了脉冲和连续波Pout）。本研究的GaN HEMT在所有钝化射频晶体管中实现了最高的JFOM值，其X波段42W/mm和Ka波段20W/mm的Pout分别比先前最高纪录提升约30%和43%，且在相同Pout下PAE较先前报道高10%-15%。

文献：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67248-9

来源：FE图南工作室

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