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日本NTT成功开发全球首款用于后5G通信的AlN基高频晶体管 – 拓展氮化铝应用领域：从功率转换到无线通信
原文英文标题
World's first AlN-based high-frequency transistor for post-5G communication
- Expanding Application Areas of AlN from Power Conversion to Wireless Communications –
原文链接
https://group.ntt/en/newsrelease/2025/12/09/251209a.html
新闻要点
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NTT在氮化铝（AlN）半导体技术上取得进一步突破，全球首次成功实现了基于AlN的高频晶体管运行。
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通过设计可降低电极-半导体界面能量势垒的接触层，以及可产生高电子浓度的沟道结构，成功克服了以往阻碍AlN基晶体管高频信号放大的两大难题——高接触电阻与高沟道电阻。
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此项工作表明，氮化铝不仅有望应用于功率器件，在无线通信设备领域也具备潜力，预示了其应用范围进一步扩展的可能性。
2025年12月9日 ，NTT公司（总部：东京都千代田区；总裁兼首席执行官：岛田明；以下简称“NTT”）官宣通过设计一种低电阻结构，在全球范围内首次实现了基于AlN晶体管的无线通信高频信号放大。本研究制造的AlN基高频晶体管能够在毫米波频段实现信号放大。随着输出功率向更高水平进一步发展，后5G时代的无线通信服务有望实现覆盖范围扩大、通信速率提升等方面的优化。日本电报电话公司（NTT）在全球范围内率先成功研发出将氮化铝（AlN）作为半导体材料的相关技术。凭借其卓越的半导体性能，AlN有望应用于电力转换领域所用的功率器件。本研究首次展示了AlN基晶体管在无线通信场景下的高频工作特性，印证了AlN具备拓展其应用范围的潜力。
此项研究成果将在2025年12月10日于旧金山举行的国际会议“71st IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025)”上发表。
背景
高频晶体管是无线通信、卫星通信、雷达等领域所用高频功率放大器的核心器件。无线信号输出功率越高、频率越高，就能带来更大的覆盖范围和更快的通信速度，从而提升通信服务质量。因此，高频晶体管需要半导体材料兼具高击穿场强和高电子饱和速度。在当前的5G通信中，采用宽带隙半导体⁵氮化镓（GaN）的高频晶体管已得到广泛应用。面向后5G时代，为追求高频晶体管的更高输出功率，具备更高击穿电场的超宽带隙半导体，例如氮化铝（AlN）、金刚石和氧化镓（Ga₂O₃）等，正受到广泛关注。
在半导体材料中，AlN的击穿电场和电子饱和速度被预测为最高水平之一，其约翰逊品质因数（Johnson's Figure of Merit）——衡量高功率、高频晶体管性能的关键指标——是GaN的五倍，在所有超宽带隙半导体中位居首位（图1）。在氮化铝镓（AlGaN，即AlN与GaN的化合物）中，随着铝（Al）成分比例的增加，其性能指标会随之提升。因此，采用高铝组分的AlGaN（即AlN基半导体）作为沟道层的高频晶体管，在作为下一代功率放大器方面极具潜力。NTT是全球首家成功实现AlN半导体外延生长的公司，并已成功演示了AlN晶体管和肖特基势垒二极管的工作特性，展现了其作为功率器件半导体的潜力。然而，当将AlN基半导体用于高频晶体管时，提高铝组分会导致一些根本性问题，例如从电极注入半导体的电流不足以及沟道电阻增大。因此，长期以来人们认为铝组分超过75%的高铝AlN基晶体管难以实现高频工作。
图1. 基于材料特性预测的半导体材料高功率、高频晶体管性能指数：约翰逊品质因数（Johnson's Figure of Merit，以氮化镓为基准进行归一化）。
技术亮点
为实现AlN基晶体管的高频工作，我们在本研究中开发了以下两项关键技术（图2）。
(1) 采用AlGaN接触层实现低电阻欧姆接触
在传统结构中，电极直接在AlGaN沟道层上形成。提高铝（Al）组分会增大电极与半导体之间的能量势垒，导致难以获得欧姆接触⁸ 并限制了漏极电流。为降低此能量势垒，我们开发了一种技术，在电极与沟道层之间形成铝组分渐变的AlGaN接触层。这有效降低了欧姆接触电阻。
(2) 通过极化掺杂结构实现低电阻沟道
在传统铝组分均匀的AlGaN沟道结构中，电流通道是利用AlN势垒层与AlGaN沟道层界面处形成的二维电子气。然而，在高铝组分的AlGaN中，二维电子气密度降低会导致沟道电阻增大并限制漏极电流。同时，将电子气限制在沟道内的能量势垒也较低，使得难以实现高开关电流比。为此，我们开发了一种极化掺杂⁹ 沟道结构，将铝组分渐变的AlGaN沟道层夹在AlN势垒层与电荷控制下层之间，从而能在沟道层内形成高密度三维电子气。这显著降低了沟道电阻。
图2. AlN基晶体管结构示意图及关键技术特征。
研究成果
通过应用上述降低欧姆接触电阻和沟道电阻的技术，我们制备了高铝组分区间（铝组分分别为78%、85%和89%）的AlN基晶体管。即便在铝组分高于75%、以往漏极电流受到严重限制的区域，我们依然在晶体管的线性区观测到了大漏极电流和优异的电流线性度。以85%铝组分的晶体管为例，其漏极电流超过500 mA/mm，开关电流比高达10⁹以上（图3）。随着晶体管性能的显著提升，我们首次在全球范围内成功实现了铝组分超过75%的AlN基晶体管在1 GHz以上的射频功率放大。该85%铝组分的晶体管在毫米波频段（30-300 GHz）的最高振荡频率达到79 GHz，这是目前已报道的AlN基晶体管中的最高值（图4）。由于更高的铝组分有利于高频晶体管实现更高的输出功率，本研究提出的结构为充分发挥AlN的本征潜力提供了设计指南，标志着AlN基高功率高频晶体管的实用化迈出了重要一步。
图3. （a）AlN基晶体管（铝组分：85%）的顶视扫描电子显微镜图像，及（b）栅极电压在+3V至-9V范围内变化时的漏极电流-电压特性曲线。
图4. （a）AlN基晶体管（铝组分：85%）的高频特性，及（b）AlN基晶体管的最高振荡频率（fmax）随铝组分变化的趋势。
未来展望
我们成功在全球首次实现了铝组分超过75%的AlN基晶体管的毫米波功率放大。这标志着面向后5G时代无线通信基础设施演进迈出了重要的第一步，包括扩大通信覆盖范围与提升通信速度。未来，我们将设计能够承载更高电流与电压工作的器件结构，以验证这些高频晶体管的高功率工作性能，并持续推进氮化铝半导体技术从功率转换到无线通信领域的实用化研发。
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2022年4月22日：《全球首次实现氮化铝晶体管——助力碳中和的新一代功率器件候选材料》
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2024年12月10日：《NTT阐明氮化铝基肖特基势垒二极管电流输运机制——迈向实现低碳社会新型功率半导体器件的重大进展》
会议信息
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会议名称：71st IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025)
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时间：2025年12月6日至10日
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论文题目：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
术语表
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氮化铝 由铝（Al）和氮（N）组成的化合物半导体。"AlN基半导体"统指AlN及铝组分≥50%的高铝组分AlGaN合金。
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功率器件 具备直流-交流转换、直流系统升降压、交流系统变频等功能的功率转换器件，广泛应用于家电、电动汽车、轨道交通、工业设备及电力基础设施。
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击穿电场 半导体材料失去绝缘特性、电流骤增时的电场强度。更高的击穿电场支持更高电压和更高输出功率的工作条件。
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电子饱和速度 电子在强电场下能达到的最高速度。更高的电子速度支持更高频率工作。
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宽带隙半导体与超宽带隙半导体 带隙是决定半导体电学特性的基本材料属性。带隙越大的材料具有更高的击穿电场。硅（Si）的带隙为1.1 eV。带隙约3 eV的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等属于宽带隙半导体。带隙更大的氧化镓（Ga₂O₃）、金刚石和氮化铝（AlN）等材料则称为超宽带隙半导体。
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约翰逊品质因数（Johnson's Figure of Merit） 高功率高频晶体管的性能指标，与击穿电场和电子饱和速度的乘积成正比。
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沟道层 晶体管内部作为电流通路的半导体层。通过栅极电压控制沟道层中的电子浓度，实现电流的调节或放大。
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欧姆接触 具有低电阻的金属-半导体接触，允许电流双向顺畅通过。
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极化掺杂 通过空间渐变AlGaN组分产生极化电荷，从而形成三维电子气或三维空穴气的技术。
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最高振荡频率 晶体管能作为功率放大器工作的频率上限（功率增益降至1时的频率），是高频放大器和无线通信电路的关键参数。
关于NTT
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