超宽禁带半导体在射频功率器件中的混合集成

射频半导体器件广泛应用于通信、消费电子、航空航天等领域，全球市场规模超230亿美元。超宽禁带（UWBG）半导体因具有大禁带宽度、高临界电场和高饱和速度等优异特性，有望大幅提升射频器件的频率和功率性能。然而，单一超宽禁带材料难以同时实现浅能级掺杂（确保器件高击穿电压和开关频率）和高导热性（避免器件过热），例如氧化镓（Ga₂O₃）虽有浅施主掺杂和良好电子迁移率，但导热性极低；氮化铝（AlN）等导热性高却缺乏浅能级掺杂，这限制了器件性能。

为解决此问题，研究团队开发了一种基于剥离的层转移异质集成工艺：从氧化镓衬底边缘剥离出具有浅掺杂的氧化镓薄膜，通过阵列转移和晶圆级直接键合，将其异质集成到高导热的氮化铝衬底上。该方法无需传统工艺中的离子注入和界面介电层，实现了晶圆级规模化制备，且氧化镓薄膜厚度均匀（约400-500nm）、表面粗糙度低（0.2nm），界面陡峭无介电层。

氮化铝衬底不仅导热性高（约3W/(cm·K)），其与氧化镓界面还形成3.4电子伏特的大导带偏移，增强了沟道电子限制，提升了栅极控制能力。基于此异质集成平台制备的T栅射频功率晶体管表现出优异性能：最大振荡频率达90吉赫兹；在2吉赫兹时输出功率密度为4.6瓦/毫米，6吉赫兹时为4.1瓦/毫米，均为超宽禁带器件中的最高水平；8吉赫兹时最小噪声系数仅0.48分贝，为该频段最低值之一；同时还具有良好的线性度（输出三阶交调点28dBm）和功率附加效率（50.5%）。

与现有超宽禁带射频器件相比，该氧化镓/氮化铝异质集成晶体管在输出功率和效率上显著提升，虽仍落后于成熟的氮化镓器件，但展现出高平均电场优势（约3MV/cm）。未来通过界面工程减少缺陷、优化器件结构（如缩小栅长、采用FinFET设计），有望进一步提升性能，为高频、高功率、低噪声射频电子学提供新平台。