【科研速递】成都信息工程大学实现GaN HBT S波段大信号性能首次实验验证，输出功率密 ...

近日，成都信息工程大学通信工程学院射频和功率器件与集成团队在GaN射频器件领域取得重要突破。相关论文《Experimental Demonstration of S-Band Gallium Nitride Heterojunction Bipolar Transistors With Pout= 16.5 kW/cm2》发表于国际权威期刊《IEEE Electron Device Letters》（IEEE EDL），并被遴选为该刊第47卷第7期（2026年7月）的“Editors' Picks”文章。成都信息工程大学为论文第一完成单位，通信工程学院张连副教授为第一作者，罗小蓉教授和中国科学院半导体研究所张韵研究员为共同通信作者。

图1 成果被选为IEEE EDL第47卷第7期封面编辑推荐文章

GaN异质结双极晶体管（HBT）作为一种垂直结构器件，与目前主流的横向高电子迁移率晶体管（HEMT）相比，理论上具备更高的功率密度、更好的线性度以及更优的动态特性。然而，长期以来GaN HBT的发展受到材料与工艺的双重制约。一方面，p型GaN材料电阻率较高，基区电阻大，严重限制器件频率的提升；另一方面，器件制备中干法刻蚀导致基区表面损伤，难以形成欧姆接触，进一步增大基区电阻，恶化器件性能。GaN HBT的截止频率（fT）和最高振荡频率（fmax）长期停滞不前，此前分别约为8GHz和1.8GHz。

针对这一难题，研究团队创新采用选区外延发射极技术替代干法刻蚀工艺，成功实现基极欧姆接触，比接触电阻率为3.23×10⁻3Ω·cm2，显著降低了基区电阻。在此基础上，团队结合尺寸微缩技术和低电阻发射极欧姆接触技术（引入重掺杂n⁺-GaN发射极盖层，比接触电阻率降至1.35×10⁻⁷Ω·cm2），有效减小寄生电阻和结电容。集电极到基极的电子渡越时间缩短至6.9ps，仅为先前报道值的四分之一。

图2. (a)-(c) GaN HBT器件制备关键工艺及结构；(d)频率特性；(e)大信号负载测试的功率和效率性能；(f)频率数据统计对比图。

受益于这些寄生电阻的降低，2025年发表的研究中，器件fT/fmax分别达到21.6/4.23 GHz，首次将GaN HBT的工作频率拓展至S波段。该器件在蓝宝石衬底上实现了91.9kA/cm2的饱和电流密度和1.31MW/cm2的直流功率密度，均为GaN HBT在蓝宝石衬底上的最高记录值。

在此基础上，2026年的进一步研究中，团队采用高宽高比发射极设计，将发射极面积增大到3×80μm2，以降低发射极接触电阻和导通电阻，从而提升功率输出能力。研究团队系统研究了基极-发射极间距（WBE）对器件性能的影响，将WBE从2μm缩小至1μm后，fmax从4.19GHz提升67%，达到创纪录的7.01GHz；WBE=2μm的器件则实现了30.5GHz的fT，为GaN HBT公开报道的最高值。

图3. 采用选区外延n-AlGaN发射极的GaN HBT结构示意图。

图4. 再生长发射极层和基极层上TLM结构的I-V曲线及电阻特性。

图5. 设计AE=2×10μm2的AlGaN/GaN HBT：（a）共发射极输出特性曲线；（b）频率特性及延迟时间拟合。

研究团队在2.4 GHz下对器件开展连续波负载牵引测量，首次实验展示了S波段AlGaN/GaN HBT的大信号输出能力，最终获得16.5 kW/cm2的射频输出功率密度。这是GaN HBT功率性能的首次实验验证，证实了其垂直结构固有的高功率密度优势。

图6. 不同基极-发射极间距（WBE）下GaN HBT的测量特性：（a）Gummel曲线；（b）输出特性曲线；（c）（d）频率特性。

图7. GaN HBT的大信号性能测试结果。

此项成果标志着GaN HBT的研究从单纯“频率表征”迈向了“实用功率应用评估”的新阶段，为满足新一代通信、雷达探测系统对高功率、高效率放大器的新需求提供了新的技术路径。研究团队表示，进一步的尺寸微缩有望提升fmax并显著提高功率附加效率（PAE），采用SiC或GaN衬底改善热管理、进一步优化器件尺寸和结构，有望推动GaN HBT在S波段功率放大器中的实际应用。

论文信息：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11498329

文章来源：semiconductor-today、成都信息工程大学官网

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