Высокоподвижный транзистор ( High-electron-mobility transistor , HEMT или HEM FET ), также известный как гетероструктурный FET ( HFET ) или модуляционно-легированный FET ( MODFET ), представляет собой полевой транзистор , включающий переход между двумя материалами с различными запрещенными зонами (т. е. гетеропереход ) в качестве канала вместо легированной области (как это обычно бывает в MOSFET ). Обычно используемая комбинация материалов — GaAs с AlGaAs , хотя существует широкий разброс в зависимости от применения устройства. Устройства, включающие больше индия , обычно показывают лучшие высокочастотные характеристики, в то время как в последние годы HEMT на основе нитрида галлия привлекли внимание из-за их высокой мощности.
Как и другие полевые транзисторы , HEMT могут использоваться в интегральных схемах в качестве цифровых переключателей включения-выключения. Полевые транзисторы также могут использоваться в качестве усилителей для больших токов с использованием небольшого напряжения в качестве управляющего сигнала. Оба эти применения стали возможными благодаря уникальным вольт-амперным характеристикам полевых транзисторов . Транзисторы HEMT способны работать на более высоких частотах, чем обычные транзисторы, вплоть до частот миллиметровых волн , и используются в высокочастотных изделиях, таких как сотовые телефоны , спутниковые телевизионные приемники, преобразователи напряжения и радиолокационное оборудование. Они широко используются в спутниковых приемниках, в маломощных усилителях и в оборонной промышленности.
Приложения HEMT включают микроволновую и миллиметровую связь , визуализацию, радиолокацию , радиоастрономию и коммутацию питания . Они встречаются во многих типах оборудования, начиная от мобильных телефонов, адаптеров питания и приемников DBS и заканчивая радиоастрономией и системами радиоэлектронной борьбы , такими как радиолокационные системы. Многочисленные компании по всему миру разрабатывают, производят и продают устройства на основе HEMT в виде дискретных транзисторов, как «монолитные микроволновые интегральные схемы» ( MMIC ) или в составе интегральных схем коммутации питания.
HEMT подходят для приложений, где требуется высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума на высоких частотах, поскольку они показали усиление по току на частотах более 600 ГГц и усиление по мощности на частотах более 1 ТГц. [1] HEMT на основе нитрида галлия используются в качестве силовых транзисторов переключения для преобразователей напряжения благодаря их низкому сопротивлению в открытом состоянии, низким потерям переключения и высокой прочности на пробой. [2] [3] Эти приложения для преобразователей напряжения с улучшенным нитридом галлия включают адаптеры переменного тока , которые выигрывают от меньших размеров корпуса из-за силовой схемы, требующей меньших пассивных электронных компонентов. [3]
Изобретение транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) обычно приписывается физику Такаси Мимуре (三村 高志), работавшему в компании Fujitsu в Японии. [4] Основой для HEMT стал полевой транзистор на основе МОП-транзистора (МОП-транзистор) на основе арсенида галлия ( GaAs ), который Мимура исследовал в качестве альтернативы стандартному МОП-транзистору на основе кремния (Si) с 1977 года. Он задумал HEMT весной 1979 года, когда прочитал о сверхрешетке с модулированным легированием гетероперехода, разработанной в Bell Labs в США [4] Рэем Динглом, Артуром Госсардом и Хорстом Штёрмером, которые подали патент в апреле 1978 года. [5] Мимура подал патентную заявку на HEMT в августе 1979 года, а затем патент в том же году. [6] Первая демонстрация устройства HEMT, D-HEMT, была представлена Мимурой и Сатоши Хиямидзу в мае 1980 года, а затем, в августе 1980 года, они продемонстрировали первый E-HEMT. [4]
Независимо друг от друга, Даниэль Делагебодеф и Тран Линь Нуйен, работая в Thomson-CSF во Франции, подали патент на аналогичный тип полевого транзистора в марте 1979 года. В нем также упоминается патент Bell Labs как источник влияния. [7] Первая демонстрация «инвертированного» HEMT была представлена Делагебодефом и Нуйеном в августе 1980 года. [4]
Одно из самых ранних упоминаний о HEMT на основе GaN содержится в статье Хана и др . в журнале Applied Physics Letters за 1993 год. [8] Позднее, в 2004 году, PD Ye и B. Yang и др. продемонстрировали GaN (нитрид галлия) металл-оксид-полупроводник HEMT (MOS-HEMT). Он использовал пленку оксида алюминия (Al 2 O 3 ) методом атомно-слоевого осаждения как в качестве диэлектрика затвора , так и для пассивации поверхности . [9]
Полевые транзисторы, работа которых основана на образовании двумерного электронного газа ( 2DEG ), известны как HEMT. В HEMTS электрический ток протекает между стоком и источником через 2DEG, который расположен на границе между двумя слоями с различными запрещенными зонами , называемыми гетеропереходом . [10] Некоторые примеры ранее исследованных композиций слоев гетероперехода (гетероструктур) для HEMT включают AlGaN/GaN, [2] AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, [11] и Si/SiGe. [12]
Преимущества HEMT по сравнению с другими транзисторными архитектурами, такими как биполярный переходный транзистор и MOSFET , заключаются в более высоких рабочих температурах, [10] более высокой прочности пробоя и более низком удельном сопротивлении в открытом состоянии, [3] все это в случае HEMT на основе GaN по сравнению с MOSFET на основе Si. Кроме того, HEMT на основе InP демонстрируют низкие шумовые характеристики и более высокие скорости переключения. [13]
Широкозонный элемент легирован донорными атомами; таким образом, он имеет избыточные электроны в своей зоне проводимости. Эти электроны будут диффундировать в соседнюю зону проводимости узкозонного материала из-за наличия состояний с более низкой энергией. Движение электронов вызовет изменение потенциала и, таким образом, электрическое поле между материалами. Электрическое поле будет выталкивать электроны обратно в зону проводимости широкозонного элемента. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока диффузия электронов и дрейф электронов не уравновесят друг друга, создавая переход в равновесии, аналогичный p –n-переходу . Обратите внимание, что нелегированный узкозонный материал теперь имеет избыточные основные носители заряда. Тот факт, что носители заряда являются основными носителями, обеспечивает высокие скорости переключения, а тот факт, что полупроводник с низкой шириной запрещенной зоны не легирован, означает, что нет донорных атомов, которые могли бы вызвать рассеяние, и, таким образом, обеспечивает высокую подвижность.
В случае GaAs HEMT они используют высокоподвижные электроны, генерируемые с использованием гетероперехода высоколегированного широкозонного донорного слоя n-типа (AlGaAs в нашем примере) и нелегированного узкозонного слоя канала без легирующих примесей (GaAs в данном случае). Электроны, генерируемые в тонком слое n-типа AlGaAs, полностью попадают в слой GaAs, образуя обедненный слой AlGaAs, поскольку гетеропереход, созданный различными материалами с запрещенной зоной, образует квантовую яму (крутой каньон) в зоне проводимости со стороны GaAs, где электроны могут быстро перемещаться, не сталкиваясь с какими-либо примесями, поскольку слой GaAs нелегирован, и из которого они не могут вырваться. Эффектом этого является создание очень тонкого слоя высокоподвижных проводящих электронов с очень высокой концентрацией, что придает каналу очень низкое удельное сопротивление (или, говоря другими словами, «высокую подвижность электронов»).
Поскольку GaAs имеет более высокое сродство к электрону , свободные электроны в слое AlGaAs переносятся в нелегированный слой GaAs, где они образуют двумерный высокоподвижный электронный газ в пределах 100 ангстрем (10 нм ) от интерфейса. Слой n-типа AlGaAs HEMT полностью истощается посредством двух механизмов истощения:
Уровень Ферми металла затвора совпадает с точкой закрепления, которая находится на 1,2 эВ ниже зоны проводимости. При уменьшении толщины слоя AlGaAs электронов, поставляемых донорами в слое AlGaAs, недостаточно для закрепления слоя. В результате изгиб зон движется вверх, и двумерный электронный газ не появляется. Когда к затвору приложено положительное напряжение, превышающее пороговое напряжение, электроны накапливаются на интерфейсе и образуют двумерный электронный газ.
Важным аспектом HEMT является то, что разрывы зон в зонах проводимости и валентной зоне могут быть изменены по отдельности. Это позволяет контролировать тип носителей в устройстве и за его пределами. Поскольку HEMT требуют, чтобы электроны были основными носителями, в одном из материалов можно применить ступенчатое легирование, тем самым уменьшая разрыв зоны проводимости и сохраняя разрыв валентной зоны прежним. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы двух областей внутри материала с узкой запрещенной зоной. Накопление электронов приводит к очень высокому току в этих устройствах. Термин « модуляционное легирование » относится к тому факту, что легирующие примеси пространственно находятся в другой области, чем электроны, переносящие ток. Этот метод был изобретен Хорстом Штёрмером в Bell Labs .
MODFET могут быть изготовлены путем эпитаксиального выращивания напряженного слоя SiGe . В напряженном слое содержание германия линейно увеличивается примерно до 40-50%. Такая концентрация германия позволяет сформировать структуру квантовой ямы с высоким смещением зоны проводимости и высокой плотностью очень подвижных носителей заряда . Конечным результатом является FET со сверхвысокой скоростью переключения и низким уровнем шума. InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN и другие соединения также используются вместо SiGe. InP и GaN начинают заменять SiGe в качестве базового материала в MODFET из-за их лучших соотношений шума и мощности.
В идеале два разных материала, используемых для гетероперехода, должны иметь одинаковую постоянную решетки (расстояние между атомами). На практике постоянные решетки обычно немного отличаются (например, AlGaAs на GaAs), что приводит к дефектам кристалла. В качестве аналогии представьте, что вы сталкиваете вместе две пластиковые расчески с немного разным расстоянием. Через равные промежутки времени вы увидите, как два зубца слипаются. В полупроводниках эти разрывы образуют ловушки с глубоким уровнем и значительно снижают производительность устройства.
HEMT, где это правило нарушается, называется pHEMT или псевдоморфный HEMT. Это достигается за счет использования чрезвычайно тонкого слоя одного из материалов — настолько тонкого, что кристаллическая решетка просто растягивается, чтобы соответствовать другому материалу. Эта технология позволяет создавать транзисторы с большей разницей в ширине запрещенной зоны , чем это возможно в противном случае, что обеспечивает им лучшую производительность. [14]
Другой способ использования материалов с различными постоянными решетки — это размещение буферного слоя между ними. Это делается в mHEMT или метаморфном HEMT , усовершенствовании pHEMT. Буферный слой сделан из AlInAs , с концентрацией индия, подобранной таким образом, чтобы она могла соответствовать постоянной решетки как подложки GaAs, так и канала GaInAs . Это дает преимущество, заключающееся в том, что может быть реализована практически любая концентрация индия в канале, поэтому устройства могут быть оптимизированы для различных приложений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий уровень шума ; высокая концентрация индия обеспечивает высокий коэффициент усиления ). [ необходима цитата ]
HEMT, изготовленные из полупроводниковых гетероинтерфейсов, не имеющих интерфейсного заряда поляризации, таких как AlGaAs/GaAs, требуют положительного напряжения затвора или соответствующего донорного легирования в барьере AlGaAs для притяжения электронов к затвору, что образует двумерный электронный газ и обеспечивает проводимость электронных токов. Такое поведение похоже на поведение обычно используемых полевых транзисторов в режиме улучшения, и такое устройство называется HEMT улучшения, или eHEMT .
При создании HEMT из AlGaN / GaN можно достичь более высокой плотности мощности и напряжения пробоя. Нитриды также имеют другую кристаллическую структуру с более низкой симметрией, а именно вюрцитную , которая имеет встроенную электрическую поляризацию. Поскольку эта поляризация различается между канальным слоем GaN и барьерным слоем AlGaN , образуется слой нескомпенсированного заряда порядка 0,01-0,03 Кл/м . Из-за ориентации кристалла, обычно используемой для эпитаксиального роста («галлиевая поверхность»), и геометрии устройства, благоприятной для изготовления (затвор сверху), этот зарядовый слой положительный, что приводит к образованию двумерного электронного газа даже при отсутствии легирования. Такой транзистор обычно включен и выключится только в том случае, если затвор будет смещен отрицательно — таким образом, этот тип HEMT известен как обедненный HEMT или dHEMT . При достаточном легировании барьера акцепторами (например, Mg ) встроенный заряд может быть компенсирован для восстановления более привычной работы eHEMT , однако высокоплотное p-легирование нитридов технологически сложно из-за диффузии легирующей примеси в канал.
В отличие от модуляционно-легированного HEMT, индуцированный транзистор с высокой подвижностью электронов обеспечивает гибкость настройки различных плотностей электронов с верхним затвором, поскольку носители заряда «индуцированы» в плоскость 2DEG , а не созданы легирующими примесями. Отсутствие легированного слоя значительно увеличивает подвижность электронов по сравнению с их модуляционно-легированными аналогами. Этот уровень чистоты предоставляет возможности для проведения исследований в области квантового бильярда для изучения квантового хаоса или приложений в сверхстабильных и сверхчувствительных электронных устройствах. [15]
