中文標題
日本NTT成功開發全球首款用于后5G通信的AlN基高頻晶體管 – 拓展氮化鋁應用領域：從功率轉換到無線通信
原文英文標題
World's first AlN-based high-frequency transistor for post-5G communication
- Expanding Application Areas of AlN from Power Conversion to Wireless Communications –
原文鏈接
https://group.ntt/en/newsrelease/2025/12/09/251209a.html
新聞要點
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NTT在氮化鋁（AlN）半導體技術上取得進一步突破，全球首次成功實現了基于AlN的高頻晶體管運行。
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通過設計可降低電極-半導體界面能量勢壘的接觸層，以及可產生高電子濃度的溝道結構，成功克服了以往阻礙AlN基晶體管高頻信號放大的兩大難題——高接觸電阻與高溝道電阻。
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此項工作表明，氮化鋁不僅有望應用于功率器件，在無線通信設備領域也具備潛力，預示了其應用范圍進一步擴展的可能性。
2025年12月9日 ，NTT公司（總部：東京都千代田區；總裁兼首席執行官：島田明；以下簡稱“NTT”）官宣通過設計一種低電阻結構，在全球范圍內首次實現了基于AlN晶體管的無線通信高頻信號放大。本研究制造的AlN基高頻晶體管能夠在毫米波頻段實現信號放大。隨著輸出功率向更高水平進一步發展，后5G時代的無線通信服務有望實現覆蓋范圍擴大、通信速率提升等方面的優化。日本電報電話公司（NTT）在全球范圍內率先成功研發出將氮化鋁（AlN）作為半導體材料的相關技術。憑借其卓越的半導體性能，AlN有望應用于電力轉換領域所用的功率器件。本研究首次展示了AlN基晶體管在無線通信場景下的高頻工作特性，印證了AlN具備拓展其應用范圍的潛力。
此項研究成果將在2025年12月10日于舊金山舉行的國際會議“71st IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025)”上發表。
背景
高頻晶體管是無線通信、衛星通信、雷達等領域所用高頻功率放大器的核心器件。無線信號輸出功率越高、頻率越高，就能帶來更大的覆蓋范圍和更快的通信速度，從而提升通信服務質量。因此，高頻晶體管需要半導體材料兼具高擊穿場強和高電子飽和速度。在當前的5G通信中，采用寬帶隙半導體?氮化鎵（GaN）的高頻晶體管已得到廣泛應用。面向后5G時代，為追求高頻晶體管的更高輸出功率，具備更高擊穿電場的超寬帶隙半導體，例如氮化鋁（AlN）、金剛石和氧化鎵（Ga?O?）等，正受到廣泛關注。
在半導體材料中，AlN的擊穿電場和電子飽和速度被預測為最高水平之一，其約翰遜品質因數（Johnson's Figure of Merit）——衡量高功率、高頻晶體管性能的關鍵指標——是GaN的五倍，在所有超寬帶隙半導體中位居首位（圖1）。在氮化鋁鎵（AlGaN，即AlN與GaN的化合物）中，隨著鋁（Al）成分比例的增加，其性能指標會隨之提升。因此，采用高鋁組分的AlGaN（即AlN基半導體）作為溝道層的高頻晶體管，在作為下一代功率放大器方面極具潛力。NTT是全球首家成功實現AlN半導體外延生長的公司，并已成功演示了AlN晶體管和肖特基勢壘二極管的工作特性，展現了其作為功率器件半導體的潛力。然而，當將AlN基半導體用于高頻晶體管時，提高鋁組分會導致一些根本性問題，例如從電極注入半導體的電流不足以及溝道電阻增大。因此，長期以來人們認為鋁組分超過75%的高鋁AlN基晶體管難以實現高頻工作。
圖1. 基于材料特性預測的半導體材料高功率、高頻晶體管性能指數：約翰遜品質因數（Johnson's Figure of Merit，以氮化鎵為基準進行歸一化）。
技術亮點
為實現AlN基晶體管的高頻工作，我們在本研究中開發了以下兩項關鍵技術（圖2）。
(1) 采用AlGaN接觸層實現低電阻歐姆接觸
在傳統結構中，電極直接在AlGaN溝道層上形成。提高鋁（Al）組分會增大電極與半導體之間的能量勢壘，導致難以獲得歐姆接觸? 并限制了漏極電流。為降低此能量勢壘，我們開發了一種技術，在電極與溝道層之間形成鋁組分漸變的AlGaN接觸層。這有效降低了歐姆接觸電阻。
(2) 通過極化摻雜結構實現低電阻溝道
在傳統鋁組分均勻的AlGaN溝道結構中，電流通道是利用AlN勢壘層與AlGaN溝道層界面處形成的二維電子氣。然而，在高鋁組分的AlGaN中，二維電子氣密度降低會導致溝道電阻增大并限制漏極電流。同時，將電子氣限制在溝道內的能量勢壘也較低，使得難以實現高開關電流比。為此，我們開發了一種極化摻雜? 溝道結構，將鋁組分漸變的AlGaN溝道層夾在AlN勢壘層與電荷控制下層之間，從而能在溝道層內形成高密度三維電子氣。這顯著降低了溝道電阻。
圖2. AlN基晶體管結構示意圖及關鍵技術特征。
研究成果
通過應用上述降低歐姆接觸電阻和溝道電阻的技術，我們制備了高鋁組分區間（鋁組分分別為78%、85%和89%）的AlN基晶體管。即便在鋁組分高于75%、以往漏極電流受到嚴重限制的區域，我們依然在晶體管的線性區觀測到了大漏極電流和優異的電流線性度。以85%鋁組分的晶體管為例，其漏極電流超過500 mA/mm，開關電流比高達10?以上（圖3）。隨著晶體管性能的顯著提升，我們首次在全球范圍內成功實現了鋁組分超過75%的AlN基晶體管在1 GHz以上的射頻功率放大。該85%鋁組分的晶體管在毫米波頻段（30-300 GHz）的最高振蕩頻率達到79 GHz，這是目前已報道的AlN基晶體管中的最高值（圖4）。由于更高的鋁組分有利于高頻晶體管實現更高的輸出功率，本研究提出的結構為充分發揮AlN的本征潛力提供了設計指南，標志著AlN基高功率高頻晶體管的實用化邁出了重要一步。
圖3. （a）AlN基晶體管（鋁組分：85%）的頂視掃描電子顯微鏡圖像，及（b）柵極電壓在+3V至-9V范圍內變化時的漏極電流-電壓特性曲線。
圖4. （a）AlN基晶體管（鋁組分：85%）的高頻特性，及（b）AlN基晶體管的最高振蕩頻率（fmax）隨鋁組分變化的趨勢。
未來展望
我們成功在全球首次實現了鋁組分超過75%的AlN基晶體管的毫米波功率放大。這標志著面向后5G時代無線通信基礎設施演進邁出了重要的第一步，包括擴大通信覆蓋范圍與提升通信速度。未來，我們將設計能夠承載更高電流與電壓工作的器件結構，以驗證這些高頻晶體管的高功率工作性能，并持續推進氮化鋁半導體技術從功率轉換到無線通信領域的實用化研發。
相關新聞稿
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2022年4月22日：《全球首次實現氮化鋁晶體管——助力碳中和的新一代功率器件候選材料》
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2024年12月10日：《NTT闡明氮化鋁基肖特基勢壘二極管電流輸運機制——邁向實現低碳社會新型功率半導體器件的重大進展》
會議信息
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會議名稱：71st IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025)
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時間：2025年12月6日至10日
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論文題目：First RF Operation of AlGaN-channel Polarization-Doped FETs with Average Al-content Over 0.75
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作者：Seiya Kawasaki, Masanobu Hiroki, Kazuyuki Hirama, Yoshitaka Taniyasu
術語表
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氮化鋁 由鋁（Al）和氮（N）組成的化合物半導體。"AlN基半導體"統指AlN及鋁組分≥50%的高鋁組分AlGaN合金。
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功率器件 具備直流-交流轉換、直流系統升降壓、交流系統變頻等功能的功率轉換器件，廣泛應用于家電、電動汽車、軌道交通、工業設備及電力基礎設施。
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擊穿電場 半導體材料失去絕緣特性、電流驟增時的電場強度。更高的擊穿電場支持更高電壓和更高輸出功率的工作條件。
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電子飽和速度 電子在強電場下能達到的最高速度。更高的電子速度支持更高頻率工作。
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寬帶隙半導體與超寬帶隙半導體 帶隙是決定半導體電學特性的基本材料屬性。帶隙越大的材料具有更高的擊穿電場。硅（Si）的帶隙為1.1 eV。帶隙約3 eV的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等屬于寬帶隙半導體。帶隙更大的氧化鎵（Ga?O?）、金剛石和氮化鋁（AlN）等材料則稱為超寬帶隙半導體。
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約翰遜品質因數（Johnson's Figure of Merit） 高功率高頻晶體管的性能指標，與擊穿電場和電子飽和速度的乘積成正比。
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溝道層 晶體管內部作為電流通路的半導體層。通過柵極電壓控制溝道層中的電子濃度，實現電流的調節或放大。
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歐姆接觸 具有低電阻的金屬-半導體接觸，允許電流雙向順暢通過。
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極化摻雜 通過空間漸變AlGaN組分產生極化電荷，從而形成三維電子氣或三維空穴氣的技術。
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最高振蕩頻率 晶體管能作為功率放大器工作的頻率上限（功率增益降至1時的頻率），是高頻放大器和無線通信電路的關鍵參數。
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原文轉載于【NTT】官網
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