康奈尔大学突破：氮化铝XHEMT晶体管将重塑5G/6G射频与国防电子
突破性进展：氮化铝晶体管或将重塑下一代射频电子格局
随着5G网络的深度部署与6G研发的启动，以及国防雷达系统对性能的极致追求，对能够处理更高功率、更高频率的射频功率放大器的需求日益迫切。然而，传统的氮化镓（GaN）器件在性能和供应链安全方面均面临挑战。近日，美国康奈尔大学的研究团队在这一关键领域取得了突破性进展，他们成功开发出一种名为 XHEMT 的新型晶体管架构。该器件采用氮化铝（AlN） 作为衬底材料，不仅在电学与热学性能上实现了飞跃，更有望缓解关键半导体材料——镓（Ga） 的供应链风险。相关研究成果已发表于《Advanced Electronic Materials》期刊，并因其产业化潜力被《APL Materials》期刊重点报道。
技术核心：氮化铝衬底带来的性能革命
XHEMT（一种异质结高电子迁移率晶体管）的核心创新在于其独特的材料结构。研究团队在高质量、大尺寸的块状单晶氮化铝衬底上，外延生长了一层超薄的氮化镓沟道层。
超宽禁带与超高热导率：氮化铝是一种超宽禁带半导体，其禁带宽度远超氮化镓和碳化硅。这意味着它能承受更高的电场和电压，同时具有极高的热导率。论文第一作者、博士生Eungkyun Kim指出：“由于我们使用了热导率更高的氮化铝衬底，沟道温度相较于其他技术更低。这为在更高功率下运行、扩展现有通信距离或雷达能力提供了可能。”
近乎完美的晶体匹配，缺陷骤降百万倍：传统氮化镓器件通常生长在硅、碳化硅或蓝宝石衬底上，由于晶格失配会产生大量晶体缺陷。而氮化铝与氮化镓的晶格高度匹配，使得XHEMT器件实现了从底层到顶层的晶格匹配。该研究的共同领导者胡利·格雷斯·邢教授表示：“传统器件中的缺陷会一直传播，而我们的新氮化铝衬底基本上消除了它们。这将为器件的迭代带来巨大优势。”据估算，其晶体缺陷密度比传统方案降低了约一百万倍，从而显著提升器件的可靠性、寿命和性能一致性。
战略意义：缓解关键材料“镓”的供应链风险
除了性能优势，这项研究还具有重要的地缘战略和供应链安全意义。氮化镓中的镓元素是一种全球分布高度集中、供应链脆弱的战略关键材料。
该研究的另一位共同领导者迪布迪普·杰纳教授强调：“超过90%的镓在美国境外生产，其对于半导体技术的关键需求已引发了出口限制，供应链受到严重干扰。而使用这种特殊的氮化铝XHEMT，我们只需要使用极少量的镓，将其用量降低了数个数量级。” 这一突破有助于降低美国在高性能射频电子领域对单一境外供应链的依赖，提升技术自主性。杰纳教授进一步指出：“氮化铝衬底此前多用于光子学，但这项研究真正为其在电子学应用打开了大门。我们正在展示，可以利用在美国本土生产的半导体材料创造新的价值和市场。”
产业化进程：已实现3英寸晶圆级制备
这项技术并非停留在实验室阶段，其产业化路径已经清晰。据《APL Materials》报道，研究团队已在3英寸（约76毫米）的氮化铝晶圆上成功实现了XHEMT结构的晶圆级外延生长。这一里程碑式的工作得到了美国东北地区国防技术中心的支持，标志着该技术向商业化迈出了关键一步。
研究中高质量的氮化铝单晶衬底由位于纽约奥尔巴尼的Crystal IS公司提供，该公司是全球少数能生产满足此类电子器件要求的氮化铝衬底的制造商之一。
应用前景：赋能5G/6G与国防雷达系统
XHEMT晶体管专为射频功率放大器设计，这是5G/6G通信基站、国防雷达和电子战系统的核心部件。在这些应用中，放大器需要在极高频率下推动大功率电信号，产生大量热量，极易导致性能衰退。XHEMT凭借其优异的耐高压、耐高温和低损耗特性，有望打造出功率密度更高、效率更优、工作更稳定的下一代射频放大器，从而扩展无线通信的覆盖范围，提升雷达系统的探测能力与可靠性。
康奈尔大学团队开发的氮化铝基XHEMT晶体管，是一项集材料创新、性能突破与供应链安全考量于一体的重大科研成果。它通过采用高性能且供应更自主的氮化铝材料，从根本上提升了宽禁带半导体器件的品质，为解决未来高频高功率电子系统的核心瓶颈提供了全新的技术路径。随着晶圆级制备技术的成熟，这项“美国本土”的创新有望快速走向应用，不仅在学术上引领宽禁带半导体研究的新方向，更可能在未来的全球5G/6G竞争与国防科技领域中，扮演至关重要的角色。