Транзистор с высокой подвижностью электронов ( HEMT или HEM FET ), также известный как гетероструктурный полевой транзистор ( HFET ) или полевой транзистор с модулированным легированием ( MODFET ), представляет собой полевой транзистор , включающий переход между двумя материалами с различной запрещенной зоной (т.е. гетеропереход ) как канал вместо легированной области (как это обычно бывает с МОП-транзисторами ). Обычно используемая комбинация материалов — GaAs и AlGaAs , хотя существуют широкие вариации в зависимости от применения устройства. Устройства, содержащие больше индия, обычно демонстрируют лучшие характеристики на высоких частотах, в то время как в последние годы HEMT из нитрида галлия привлекли внимание благодаря своей высокой мощности.
Как и другие полевые транзисторы , HEMT можно использовать в интегральных схемах в качестве цифровых двухпозиционных переключателей. Полевые транзисторы также можно использовать в качестве усилителей больших токов, используя небольшое напряжение в качестве управляющего сигнала. Оба эти применения стали возможными благодаря уникальным вольт-амперным характеристикам полевого транзистора . HEMT-транзисторы способны работать на более высоких частотах, чем обычные транзисторы, вплоть до частот миллиметровых волн , и используются в высокочастотных изделиях, таких как сотовые телефоны , приемники спутникового телевидения , преобразователи напряжения и радиолокационное оборудование. Они широко используются в спутниковых приемниках, в усилителях малой мощности и в оборонной промышленности.
Приложения HEMT включают микроволновую и миллиметровую связь , визуализацию, радар , радиоастрономию и переключение мощности . Они встречаются во многих типах оборудования: от мобильных телефонов, адаптеров питания и приемников DBS до радиоастрономических систем и систем радиоэлектронной борьбы, таких как радиолокационные системы. Многочисленные компании по всему миру разрабатывают, производят и продают устройства на основе HEMT в виде дискретных транзисторов, в виде «монолитных микроволновых интегральных схем» ( MMIC ) или в виде интегральных схем с силовым переключением.
HEMT подходят для применений, где требуются высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума на высоких частотах, поскольку они показали усиление по току на частотах выше 600 ГГц и усиление по мощности на частотах выше 1 ТГц. [1] HEMT на основе нитрида галлия используются в качестве силовых переключающих транзисторов для преобразователей напряжения из-за их низкого сопротивления в открытом состоянии, низких потерь переключения и высокой прочности на пробой. [2] [3] Эти усовершенствованные преобразователи напряжения на основе нитрида галлия включают в себя адаптеры переменного тока , преимущества которых заключаются в меньших размерах корпуса, поскольку силовая схема требует меньших по размеру пассивных электронных компонентов. [3]
Изобретение транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) обычно приписывают физику Такаши Мимуре (三村 高志), работавшему в Fujitsu в Японии. [4] Основой HEMT стал GaAs (арсенид галлия) MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который Мимура исследовал в качестве альтернативы стандартному кремниевому (Si) MOSFET с 1977 года. Он задумал HEMT весной 1979 года, когда он прочитал о сверхрешетке с модулированным легированным гетеропереходом , разработанной в Bell Labs в США [4] Рэем Динглом, Артуром Госсардом и Хорстом Штермером , которые подали патент в апреле 1978 года. [5] Мимура подал заявку на патент. раскрытие патента на HEMT в августе 1979 года, а затем в том же году - патент . [6] Первая демонстрация устройства HEMT, D-HEMT, была представлена Мимурой и Сатоши Хиямидзу в мае 1980 года, а затем они позже продемонстрировали первый E-HEMT в августе 1980 года. [4]
Независимо Даниэль Делагебодеф и Транк Линь Нуйен, работая в Thomson-CSF во Франции, в марте 1979 года подали патент на полевой транзистор аналогичного типа. В нем также упоминается патент Bell Labs, оказавший влияние. [7] Первая демонстрация «перевернутого» HEMT была представлена Делажбодефом и Нуйеном в августе 1980 года. [4]
Одно из первых упоминаний о HEMT на основе GaN содержится в статье Хана и др . в журнале Applied Physics Letters 1993 года . [8] Позже, в 2004 году, П.Д. Йе, Б. Ян и др. продемонстрировали HEMT металл-оксид-полупроводник GaN (нитрид галлия) (MOS-HEMT). Он использовал пленку оксида алюминия (Al 2 O 3 ) методом атомно-слоевого осаждения (ALD) 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 элементом стока и истока через 2DEG, который расположен на границе двух слоев с разной запрещенной зоной , называемой гетеропереходом . [10] Некоторые примеры ранее исследованных составов гетеропереходных слоев (гетероструктур) для HEMT включают AlGaN/GaN, [2] AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, [11] и Si/SiGe. [12]
Преимущества HEMT перед другими транзисторными топологиями, такими как биполярный переходной транзистор и MOSFET, заключаются в более высоких рабочих температурах HEMT на основе GaN по сравнению с MOSFET на основе Si, [10] более высокой пробойной прочности в случае HEMT на основе GaN по сравнению с HEMT на основе Si. МОП-транзисторы, более низкое удельное сопротивление в открытом состоянии при сравнении HEMT на основе GaN с МОП-транзисторами на основе Si, [3] и низкие шумовые характеристики/более высокие скорости переключения в случае HEMT на InP. [13]
Широкозонный элемент легирован донорными атомами; таким образом, он имеет лишние электроны в зоне проводимости. Эти электроны будут диффундировать в зону проводимости соседнего узкозонного материала из-за наличия состояний с более низкой энергией. Движение электронов вызовет изменение потенциала и, следовательно, электрического поля между материалами. Электрическое поле будет толкать электроны обратно в зону проводимости широкозонного элемента. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока диффузия электронов и дрейф электронов не уравновесят друг друга, создавая равновесный переход, аналогичный p – n-переходу . Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой запрещенной зоной теперь имеет избыточные основные носители заряда. Тот факт, что носители заряда являются основными носителями, обеспечивает высокие скорости переключения, а тот факт, что полупроводник с узкой запрещенной зоной нелегирован, означает, что в нем нет донорных атомов, вызывающих рассеяние, и, таким образом, обеспечивается высокая подвижность.
В случае GaAs HEMT используются электроны с высокой подвижностью, генерируемые с помощью гетероперехода сильнолегированного широкозонного слоя донора n-типа (в нашем примере AlGaAs) и нелегированного узкозонного канального слоя без легирующие примеси (в данном случае GaAs). Электроны, генерируемые в тонком слое AlGaAs n-типа, полностью падают в слой GaAs, образуя обедненный слой AlGaAs, поскольку гетеропереход, создаваемый материалами с различной запрещенной зоной, образует квантовую яму (крутой каньон) в зоне проводимости GaAs. Сторона, где электроны могут двигаться быстро, не сталкиваясь с какими-либо примесями, поскольку слой GaAs нелегирован, и из которой они не могут выйти. Результатом этого является создание очень тонкого слоя очень подвижных проводящих электронов с очень высокой концентрацией, что придает каналу очень низкое удельное сопротивление (или, другими словами, «высокую подвижность электронов»).
Поскольку GaAs имеет более высокое сродство к электрону , свободные электроны из слоя AlGaAs переносятся в нелегированный слой GaAs, где они образуют двумерный электронный газ с высокой подвижностью в пределах 100 ангстрем (10 нм ) от границы раздела. Слой AlGaAs n-типа HEMT полностью истощается за счет двух механизмов истощения:
Уровень Ферми металла затвора согласован с точкой закрепления, которая находится на 1,2 эВ ниже зоны проводимости. При уменьшенной толщине слоя AlGaAs электронов, поставляемых донорами в слой AlGaAs, недостаточно для закрепления слоя. В результате изгиб зон движется вверх и газ двумерных электронов не появляется. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение, превышающее пороговое, электроны накапливаются на границе раздела и образуют двумерный электронный газ.
Важным аспектом HEMT является то, что разрывы зон в зоне проводимости и валентной зоне можно модифицировать отдельно. Это позволяет контролировать тип несущих, входящих и выходящих из устройства. Поскольку HEMT требуют, чтобы электроны были основными носителями, в один из материалов можно применить постепенное легирование, тем самым уменьшив разрыв зоны проводимости и сохранив 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 большому току в этих устройствах. Термин « модуляционное легирование » относится к тому факту, что примеси пространственно находятся в другой области от электронов, несущих ток. Эту технику изобрел Хорст Штермер в Bell Labs .
MODFET-транзисторы могут быть изготовлены путем эпитаксиального выращивания напряженного слоя SiGe . В напряженном слое содержание германия линейно возрастает примерно до 40-50%. Такая концентрация германия позволяет сформировать структуру квантовой ямы с большим смещением зоны проводимости и высокой плотностью очень подвижных носителей заряда . Конечным результатом является полевой транзистор со сверхвысокой скоростью переключения и низким уровнем шума. Вместо SiGe также используются InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN и другие соединения. InP и GaN начинают заменять SiGe в качестве основного материала в MODFET-транзисторах из-за их лучшего соотношения 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 от GaAs), что приводит к дефектам кристалла. В качестве аналогии представьте, что вы сдвигаете вместе две пластиковые расчески, расположенные на немного разном расстоянии друг от друга. Через определенные промежутки времени вы увидите, как два зуба слипаются. В полупроводниках эти разрывы образуют ловушки глубокого уровня и значительно снижают производительность устройства.
HEMT, в котором это правило нарушается, называется pHEMT или псевдоморфным HEMT. Это достигается за счет использования чрезвычайно тонкого слоя одного из материалов – настолько тонкого, что кристаллическая решетка просто растягивается, чтобы соответствовать другому материалу. Этот метод позволяет создавать транзисторы с большей разницей запрещенной зоны , чем это возможно в противном случае, что дает им лучшие характеристики. [14]
Другой способ использовать материалы с разной постоянной решетки — разместить между ними буферный слой. Это делается в mHEMT или метаморфическом HEMT, усовершенствованном pHEMT. Буферный слой изготовлен из AlInAs , концентрация индия отрегулирована таким образом, чтобы она могла соответствовать постоянной решетки как подложки GaAs, так и канала GaInAs . Это дает то преимущество, что в канале может быть реализована практически любая концентрация индия, поэтому устройства можно оптимизировать для различных применений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий уровень шума ; высокая концентрация индия дает высокий коэффициент усиления ). [ нужна цитата ]
HEMT, изготовленные из полупроводниковых гетероинтерфейсов, лишенных межфазного суммарного поляризационного заряда, такие как AlGaAs/GaAs, требуют положительного напряжения на затворе или соответствующего донорного легирования в барьере AlGaAs для привлечения электронов к затвору, который образует двумерный электронный газ и обеспечивает проводимость электронные токи. Такое поведение аналогично поведению обычно используемых полевых транзисторов в режиме улучшения, и такое устройство называется HEMT улучшения, или eHEMT .
Когда HEMT изготовлен 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 , имеющую встроенную электрическую поляризацию. Поскольку эта поляризация различается между канальным слоем GaN и барьерным слоем AlGaN , формируется слой некомпенсированного заряда порядка 0,01-0,03 Кл/м . Из-за ориентации кристалла, обычно используемой для эпитаксиального роста («с галлиевой гранью»), и геометрии устройства, благоприятной для изготовления (затвор сверху), этот зарядовый слой является положительным, что приводит к образованию двумерного электронного газа даже при отсутствии легирования. . Такой транзистор обычно включен и выключается только в том случае, если затвор смещен отрицательно — поэтому этот тип HEMT известен как HEMT с истощением или dHEMT . При достаточном легировании барьера акцепторами (например, Mg ) встроенный заряд может быть компенсирован для восстановления более привычной работы eHEMT , однако p-легирование нитридов с высокой плотностью технологически сложно из-за диффузии примеси в канал.
В отличие от HEMT с модуляционным легированием, индуцированный транзистор с высокой подвижностью электронов обеспечивает гибкость настройки различных плотностей электронов с помощью верхнего затвора, поскольку носители заряда «индуцируются» в плоскость 2DEG , а не создаются примесями. Отсутствие легированного слоя значительно увеличивает подвижность электронов по сравнению с их модуляционно-легированными аналогами. Этот уровень чистоты дает возможность проводить исследования в области квантового бильярда для изучения квантового хаоса или применения в сверхстабильных и сверхчувствительных электронных устройствах. [15]
