中文標題
日本NTT成功開發(fā)全球首款用于后5G通信的AlN基高頻晶體管 – 拓展氮化鋁應(yīng)用領(lǐng)域：從功率轉(zhuǎn)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

2025年12月9日 ，NTT公司（總部：東京都千代田區(qū)；總裁兼首席執(zhí)行官：島田明；以下簡稱“NTT”）官宣通過設(shè)計一種低電阻結(jié)構(gòu)，在全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)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(xiàn)信號放大。隨著輸出功率向更高水平進一步發(fā)展，后5G時代的無線通信服務(wù)有望實現(xiàn)覆蓋范圍擴大、通信速率提升等方面的優(yōu)化。日本電報電話公司（NTT）在全球范圍內(nèi)率先成功研發(fā)出將氮化鋁（AlN）作為半導體材料的相關(guān)技術(shù)。憑借其卓越的半導體性能，AlN有望應(yīng)用于電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)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(yīng)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(fā)表。

背景

高頻晶體管是無線通信、衛(wèi)星通信、雷達等領(lǐng)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(wù)質(zhì)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(yīng)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(guān)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(zhì)因數(shù)（Johnson's Figure of Merit）——衡量高功率、高頻晶體管性能的關(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)：約翰遜品質(zhì)因數(shù)（Johnson's Figure of Merit，以氮化鎵為基準進行歸一化）。

技術(shù)亮點

為實現(xiàn)AlN基晶體管的高頻工作，我們在本研究中開發(fā)了以下兩項關(guān)鍵技術(shù)（圖2）。

(1) 采用AlGaN接觸層實現(xiàn)低電阻歐姆接觸

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fā)了一種技術(shù)，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(jié)構(gòu)實現(xiàn)低電阻溝道

在傳統(tǒng)鋁組分均勻的AlGaN溝道結(jié)構(gòu)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(nèi)的能量勢壘也較低，使得難以實現(xiàn)高開關(guān)電流比。為此，我們開發(fā)了一種極化摻雜? 溝道結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖及關(guān)鍵技術(shù)特征。

研究成果

通過應(yīng)用上述降低歐姆接觸電阻和溝道電阻的技術(shù)，我們制備了高鋁組分區(qū)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(qū)域，我們依然在晶體管的線性區(qū)觀測到了大漏極電流和優(yōu)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(guān)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(nèi)成功實現(xiàn)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(xiàn)更高的輸出功率，本研究提出的結(jié)構(gòu)為充分發(fā)揮AlN的本征潛力提供了設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(chǔ)設(shè)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(shè)計能夠承載更高電流與電壓工作的器件結(jié)構(gòu)，以驗證這些高頻晶體管的高功率工作性能，并持續(xù)推進氮化鋁半導體技術(shù)從功率轉(zhuǎn)換到無線通信領(lǐng)域的實用化研發(fā)。

相關(guān)新聞稿

• 2022年4月22日：《全球首次實現(xiàn)氮化鋁晶體管——助力碳中和的新一代功率器件候選材料》

• 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?qū)崿F(xiàn)低碳社會新型功率半導體器件的重大進展》

會議信息

• 會議名稱：71st      IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025)

• 時間：2025年12月6日至10日

• 論文題目：First      RF Operation of AlGaN-channel Polarization-Doped FETs with Average      Al-content Over 0.75

• 作者：Seiya      Kawasaki, Masanobu Hiroki, Kazuyuki Hirama, Yoshitaka Taniyasu

術(shù)語表

關(guān)于NTT

NTT以創(chuàng)新力量助力社會可持續(xù)發(fā)展。作為全球領(lǐng)先的技術(shù)企業(yè)，我們?yōu)橄M者與企業(yè)提供移動通信、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用及咨詢服務(wù)。我們的業(yè)務(wù)涵蓋數(shù)字商業(yè)咨詢、托管應(yīng)用服務(wù)、工作場所與云解決方案、數(shù)據(jù)中心與邊緣計算，并由深厚的全球行業(yè)專業(yè)知識支撐。公司年收入超900億美元，擁有34萬名員工，年度研發(fā)投入達30億美元。業(yè)務(wù)遍及全球80多個國家與地區(qū)，服務(wù)覆蓋超190個市場的客戶，為《財富》全球100強中75%的企業(yè)、數(shù)千家其他企業(yè)與政府機構(gòu)以及數(shù)百萬消費者提供專業(yè)服務(wù)。

（以上文章由奧趨光電翻譯，如有涉及版權(quán)等問題，請聯(lián)系我們以便處理）