5月22-24日，“2025未来半导体产业创新大会”将于江苏苏州（吴中希尔顿逸林酒店）召开。本次大会由国家第三代半导体创新中心（苏州）、西安交通大学、Flink 启明产链联合举办，并由赵正平、王宏兴、江南
三位教授担任大会主席。
大会将以“金刚石+”为核心，围绕金刚石+化合物半导体、半导体用金刚石等关键产业应用难题，从高功率器件散热、晶圆衬底制备、异质融合、抛磨技术、封装集成等关键环节进行详细探讨。
日本富士通有限公司在独立 GaN 衬底上开发了氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT)，工作频率为 2.45GHz，位于工业、科学和医疗 (ISM, 2.4–2.5GHz) 保留频段，功率附加效率 (PAE) 为 85.2%，漏极效率 (DE) 为 89.0%。该研究发表在了《应用物理快报》上。
据报道，这是全球最高效率的微波功率放大器技术，适用于工业、科学及医疗（ISM）领域常用的2.45GHz频率。该技术采用高耐高压、低能量损耗的氮化镓（GaN）材料，并在高电子迁移率晶体管（HEMT）制造中集成了富士通独有工艺以及多项日本本土先进技术。
此次突破使得富士通刷新了自身2021年创造的全球电力转换效率纪录（82.8%），达到85.2%，成为全球公认的目前最高效能的功率放大器技术，超越传统硅（Si）材料及其他半导体材料的性能。该团队报告称：“我们的器件创造了分立式GaN HEMT中最高功率附加效率和漏极效率的新纪录，凸显了GaN-on-GaN HEMT在高效射频功率放大器方面的巨大潜力。” 富士通还声称，此前的纪录是在2021年创下的，即2.45GHz频率下82.8%的PAE。
研究人员认为，用于提高效率的方法也可能有益于其他频率的性能，甚至在100GHz亚太赫兹范围内。该团队特别致力于减少衬底表面和沟道区域的硅和碳污染，这些污染延迟了使用独立GaN衬底的预期性能优势。
研究人员解释说：“独立 GaN 衬底上的 GaN 基 HEMT（GaN-on-GaN HEMT）由于其位错密度低且通过同质外延消除了成核层，因此可以在高频和高功率工作期间有效抑制晶体缺陷处的电子捕获。”
氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）自 2000 年代中期首次商业化以来，因其高频放大器在无线通信和雷达应用中的卓越性能而备受关注。其优势源于宽禁带和二维电子气（2DEG）的高电子迁移率。在 1 - 100GHz 频率范围内，GaN 基 HEMT 的性能是其他材料无法比拟的。早期，由于缺乏同质 GaN 衬底，研究人员多采用 SiC、Si 和蓝宝石等异质衬底。近年来，随着自由站立 GaN 衬底制造技术的发展，GaN-on-GaN HEMT 因其低位错密度和消除成核层而展现出巨大潜力，可有效抑制高频高功率操作中的电子陷阱。2021 年，研究团队在 2.45GHz（工业、科学和医疗（ISM）频段）实现了 GaN-on-GaN HEMT 世界纪录的 82.8% 功率附加效率（PAE）。在此基础上，本研究通过提高 GaN 通道质量和减少衬底 - 外延层界面处的残留硅，进一步提升了器件效率。图 1：独立 GaN 衬底上的 GaN 基 HEMT 示意图。研究采用了 4 英寸的氢化物气相外延（HVPE）法制备的 GaN 衬底，其位错密度低于 5×10⁶cm⁻²，且为半绝缘性。在通过金属有机气相外延（MOVPE）生长 HEMT 结构之前，采用 45% - 50% 浓度的氢氟酸（HF）对 GaN 衬底表面进行 60 秒湿化学预处理，以去除残留硅，使残留硅浓度降低约两个数量级，减少了沿衬底表面横向流动的漏电流。以 Fe 掺杂 GaN（浓度 1×10¹⁹cm⁻³）作为第一外延层的缓冲层，厚度为 50nm。Fe 浓度远高于湿化学预处理后衬底表面的硅浓度（低于 1×10¹⁸cm⁻³）。通过对比有无高浓度 Fe 缓冲层的样品，发现高浓度 Fe 缓冲层能有效抑制高电压下的漏电流。在 MOVPE 外延生长过程中，将 V/III 比从 1600 提高到 8200，以降低残余碳浓度，提高晶体质量。PL 测量结果显示，增加 V/III 比显著减少了波长 560nm 附近的黄光（与碳相关缺陷有关），黄光与带边（YL/BE）比从 1.74 降至 0.13。AlGaN 障碍层的铝组分为 31%。为降低欧姆电极的接触电阻，采用条形周期性凹槽蚀刻结构，使电极直接接触 2DEG，无需中间障碍层，且避免了薄障碍层导致的 2DEG 减少。使用条形凹槽结构还可减少热预算，降低电子陷阱的产生。欧姆电极金属采用蒸发和剥离工艺形成的 Ti/Al 基结构，并进行 600°C 快速热退火。通过实施 1.0μm 槽距、0.5μm 宽凹槽和 0.5μm 宽凸台的结构，接触电阻从 0.38Ω·mm 降至 0.25Ω·mm。栅极电极由 Ni/Au 基多层结构组成，钝化膜为 SiN，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）形成，栅极长度为 0.5μm，使用 i-line 步进器形成图案。设计中引入了栅极场板和源极场板，以降低高功率操作时栅极漏端边缘的电场强度。图 2：GaN-on-GaN HEMT 在 2.45GHz 时的输入输出功率（P in -P out）特性，基波和谐波阻抗设置为 PAE 匹配条件。图 3：2.45GHz ISM 频段分立式 GaN 基 HEMT 的负载牵引测量结果比较。本研究实现了 2.45GHz 频率下 GaN 基离散 HEMT 的最高 PAE 和 DE，突显了 GaN-on-GaN HEMT 在高效射频功率放大器方面的巨大潜力。尽管研究聚焦于 2.45GHz 频率，但该技术还可应用于其他频段，尤其在高于 100GHz 的亚太赫兹频段，效率提升更为显著。此成果标志着 GaN 衬底技术的成熟，使其能充分发挥真正的潜力，为实现创新的二氧化碳减排组件和材料的社会应用以及无线电频谱资源的扩展奠定基础。
来源：Advanced Composites and Hybrid Materials参考文献：10.1007/s42114-025-01308-y
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