Транзистор с высокой подвижностью электронов - High-electron-mobility transistor

«HEMT» перенаправляется сюда. Для военного грузовика см. Тяжелый тактический грузовик повышенной мобильности.

Поперечное сечение pHEMT GaAs / AlGaAs / InGaAs

Ленточная диаграмма GaAs / AlGaAs гетеропереход HEMT на основе равновесия.

А транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), также известный как гетероструктура FET (HFET) или же модулирующий полевой транзистор (MODFET), это полевой транзистор соединение двух материалов с разными запрещенные зоны (т.е. гетеропереход ) как канал вместо легированной области (как это обычно бывает для МОП-транзистор ). Обычно используется комбинация материалов GaAs с AlGaAs, хотя существует большое разнообразие в зависимости от применения устройства. Устройства, включающие больше индий в целом показывают лучшие высокочастотные характеристики, тогда как в последние годы нитрид галлия HEMT привлекли внимание своей высокой мощностью. Как и другие Полевые транзисторы, HEMT используются в интегральные схемы как цифровые двухпозиционные переключатели. Полевые транзисторы также могут использоваться в качестве усилителей для больших значений тока с использованием небольшого напряжения в качестве управляющего сигнала. Оба эти использования стали возможными благодаря уникальной вольт-амперные характеристики. Транзисторы HEMT способны работать на более высоких частотах, чем обычные транзисторы, до миллиметровая волна частоты и используются в высокочастотных продуктах, таких как сотовые телефоны, спутниковое телевидение приемники, преобразователи напряжения, и радар оборудование. Они широко используются в спутниковых приемниках, усилителях малой мощности и в оборонной промышленности.

Преимущества

Преимущества HEMT в том, что они имеют высокое усиление, что делает их полезными в качестве усилителей; высокие скорости переключения, которые достигаются, потому что основные носители заряда в полевых транзисторах MODFET являются основными носителями, а неосновные носители существенно не задействованы; и чрезвычайно низкие значения шума, потому что изменение тока в этих устройствах низкое по сравнению с другими.

История

Изобретение транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) обычно приписывается физику Такаши Мимура (三 村 高志), когда он работал в Fujitsu в Японии.^[1] В основе HEMT лежал GaAs (арсенид галлия) МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который Mimura исследовал в качестве альтернативы стандартному кремний (Si) MOSFET с 1977 года. Он задумал HEMT весной 1979 года, когда он прочитал о гетеропереходе с модулированным легированием. сверхрешетка разработан в Bell Labs В Соединенных Штатах,^[1] Рэй Дингл, Артур Госсард и Хорст Штёрмер кто подал патент в апреле 1978 г.^[2] Мимура подала заявку на патент на HEMT в августе 1979 года, а затем патент позже в том же году.^[3] Первая демонстрация устройства HEMT, D-HEMT, была представлена ​​Мимурой и Сатоши Хиямидзу в мае 1980 года, а затем они продемонстрировали первый E-HEMT в августе 1980 года.^[1]

Независимо, Даниэль Делажбоудеф и Тронг Лин Нуен, работая в Томсон-CSF во Франции в марте 1979 г. подала патент на полевой транзистор аналогичного типа. В качестве влияния он также ссылается на патент Bell Labs.^[4] Первая демонстрация «перевернутого» HEMT была представлена ​​Делажебодефом и Нуиеном в августе 1980 года.^[1]

Одно из самых первых упоминаний HEMT на основе GaN относится к 1993 г. Письма по прикладной физике статья Хана и другие.^[5] Позже, в 2004 году П.Д. Йе и Б. Ян и другие продемонстрировал GaN (нитрид галлия) металл-оксид-полупроводник HEMT (MOS-HEMT). Он использовал осаждение атомного слоя (ALD) оксид алюминия (Al₂О₃) фильм как затвор диэлектрик и для пассивация поверхности.^[6]

Концептуальный анализ

HEMT гетеропереходы. Это означает, что используемые полупроводники имеют разные запрещенные зоны. Например, кремний имеет ширину запрещенной зоны 1,1 электрон-вольт (эВ), а германий имеет ширину запрещенной зоны 0,67 эВ. При образовании гетероперехода зона проводимости и валентная полоса на всем протяжении материал должен изгибаться, чтобы образовался сплошной уровень.

Исключительные возможности HEMT мобильность оператора и скорость переключения обусловлены следующими условиями: широкозонный элемент легирован донорными атомами; таким образом, у него есть избыток электроны в его зоне проводимости. Эти электроны будут диффундировать в зону проводимости соседнего узкополосного материала из-за наличия состояний с более низкой энергией. Движение электронов вызовет изменение потенциала и, следовательно, электрическое поле между материалами. Электрическое поле выталкивает электроны обратно в зону проводимости широкозонного элемента. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока диффузия электронов и дрейф электронов не уравновесят друг друга, создавая соединение в равновесии, подобное p-n переход. Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой запрещенной зоной теперь имеет избыточные основные носители заряда. Тот факт, что носители заряда являются основными носителями, обеспечивает высокую скорость переключения, а тот факт, что полупроводник с малой шириной запрещенной зоны является нелегированным, означает, что нет донорных атомов, вызывающих рассеяние, и, таким образом, обеспечивает высокую подвижность.

Важным аспектом HEMT является то, что неоднородности зон в зоне проводимости и валентной зоне могут быть изменены отдельно. Это позволяет контролировать тип носителей, которые входят в устройство и выходят из него. Поскольку HEMT требуют, чтобы электроны были основными носителями, в один из материалов можно применить градиентное легирование, таким образом уменьшая разрыв зоны проводимости и сохраняя разрыв валентной зоны неизменным. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы двух областей внутри материала с узкой запрещенной зоной. Накопление электронов приводит к очень сильному току в этих устройствах. Накопленные электроны также известны как 2DEG или двумерный электронный газ.

Период, термин "модуляционное допирование "относится к тому факту, что легирующие примеси пространственно находятся в области, отличной от токопроводящих электронов. Этот метод был изобретен Хорст Штёрмер в Bell Labs.

Объяснение

Чтобы обеспечить проводимость, полупроводники легированы примесями, которые отдают либо подвижные электроны, либо дыры. Однако эти электроны замедляются из-за столкновений с примесями (легирующими добавками), которые в первую очередь использовались для их генерации. HEMT избегают этого за счет использования электронов с высокой подвижностью, генерируемых с помощью гетероперехода сильно легированного широкозонного донорного слоя n-типа (AlGaAs в нашем примере) и нелегированного узкозонного канального слоя без легирующих примесей (GaAs в этом случае).

Электроны, генерируемые в тонком слое AlGaAs n-типа, полностью попадают в слой GaAs, образуя обедненный слой AlGaAs, поскольку гетеропереход, создаваемый различными материалами запрещенной зоны, образует квантовая яма (крутой каньон) в зоне проводимости на стороне GaAs, где электроны могут двигаться быстро, не сталкиваясь с какими-либо примесями, потому что слой GaAs нелегирован и из которого они не могут выйти. В результате создается очень тонкий слой высокомобильных проводящих электронов с очень высокой концентрацией, что дает каналу очень низкую удельное сопротивление (или, иначе говоря, «высокая подвижность электронов»).

Электростатический механизм

Основная статья: Гетеропереход

Поскольку GaAs имеет более высокое электронное сродство свободные электроны в слое AlGaAs переносятся в нелегированный слой GaAs, где они образуют двумерный высокоподвижный электронный газ в пределах 100 ангстрем (10 нм ) интерфейса. Слой AlGaAs n-типа в HEMT полностью истощается за счет двух механизмов истощения:

• Захват свободных электронов поверхностными состояниями вызывает обеднение поверхности.
• Перенос электронов в нелегированный слой GaAs приводит к обеднению границы раздела.

В Уровень Ферми металла затвора согласовано с точкой крепления, которая составляет 1,2 эВ ниже зоны проводимости. При уменьшении толщины слоя AlGaAs электронов, поставляемых донорами в слой AlGaAs, недостаточно для закрепления слоя. В результате изгиб зон перемещается вверх и двумерный газ электронов не появляется. Когда на затвор подается положительное напряжение, превышающее пороговое, электроны накапливаются на границе раздела и образуют двумерный электронный газ.

Производство

MODFET могут быть изготовлены эпитаксиальный рост напряженного SiGe слой. В напряженном слое германий содержание увеличивается линейно примерно до 40-50%. Такая концентрация германия позволяет образовывать квантовая яма структура с высоким зона проводимости офсет и высокая плотность очень мобильных носители заряда. Конечным результатом является полевой транзистор 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 основного материала в полевых транзисторах MODFET из-за их лучшего отношения шума и мощности.

Версии HEMT

По технологии выращивания: pHEMT и mHEMT

В идеале два разных материала, используемых для гетероперехода, должны иметь одинаковые постоянная 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 сдвигаете две пластиковые гребни с немного разным расстоянием между ними. Через равные промежутки времени вы будете видеть, как два зуба слипаются. В полупроводниках эти разрывы образуют ловушки глубокого уровня и значительно снизить производительность устройства.

HEMT, в котором это правило нарушается, называется pHEMT или же псевдоморфный 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 запрещенная зона отличий, чем это возможно в противном случае, что дает им лучшую производительность.^[7]

Другой способ использовать материалы с разными постоянными решетки - это разместить между ними буферный слой. Это делается в mHEMT или же метаморфический HEMT, усовершенствование pHEMT. Буферный слой выполнен из AlInAs, при этом концентрация индия варьируется таким образом, чтобы она могла соответствовать постоянной решетки как подложки GaAs, так и GaInAs канал. Это дает преимущество, заключающееся в том, что можно реализовать практически любую концентрацию индия в канале, поэтому устройства можно оптимизировать для различных приложений (низкая концентрация индия обеспечивает низкую шум; высокая концентрация индия дает высокие прирост ).^{[нужна цитата ]}

По электрическим характеристикам: eHEMT и dHEMT

HEMT, изготовленные из полупроводниковых гетероинтерфейсов без межфазного суммарного поляризационного заряда, такие как AlGaAs / GaAs, требуют положительного напряжения затвора или соответствующего донорного легирования в барьере AlGaAs для притяжения электронов к затвору, который формирует двумерный электронный газ и позволяет проводить электронные токи. Это поведение аналогично поведению обычно используемых полевых транзисторов в режиме улучшения, и такое устройство называется HEMT улучшения, или eHEMT.

Когда HEMT построен из AlGaN /GaN, может быть достигнута более высокая плотность мощности и напряжение пробоя. Нитриды также имеют другую кристаллическую структуру с более низкой симметрией, а именно: вюрцит тот, который имеет встроенную электрическую поляризацию. Поскольку эта поляризация различается между GaN канал слой и AlGaN барьер слой, лист нескомпенсированного заряда порядка 0,01-0,03 Кл / м${\displaystyle ^{2}}$ сформирован. Из-за ориентации кристаллов, обычно используемой для эпитаксиального роста («поверхность с галлием»), и геометрии устройства, подходящей для изготовления (затвор сверху), этот зарядный слой является положительным, вызывая образование двумерного электронного газа даже при отсутствии легирования. . Такой транзистор обычно включен и отключается только при отрицательном смещении затвора - таким образом, этот тип HEMT известен как истощение HEMT, или же dHEMT. Достаточным легированием барьера акцепторами (например, Mg ) встроенный заряд можно компенсировать, чтобы восстановить более привычный eHEMT Однако высокоплотное легирование нитридов p-методом является технологически сложной задачей из-за диффузии легирующей примеси в канал.

Индуцированный HEMT

В отличие от HEMT, легированного модуляцией, транзистор с индуцированной высокой подвижностью электронов обеспечивает гибкость настройки различных плотностей электронов с помощью верхнего затвора, поскольку носители заряда «индуцируются» в 2DEG самолет, а не созданный легирующими добавками. Отсутствие легированного слоя значительно увеличивает подвижность электронов по сравнению с их аналогами, легированными модуляцией. Такой уровень чистоты дает возможность проводить исследования в области электроники. Квантовый бильярд за квантовый хаос исследования или применения в сверхстабильных и сверхчувствительных электронных устройствах.^{[нужна цитата ]}

Приложения

Приложения (например, для AlGaAs на GaAs) аналогичны приложениям MESFET – микроволновая печь и миллиметровая волна коммуникации, изображения, радар, и радиоастрономия - любое приложение, где требуется высокое усиление и низкий уровень шума на высоких частотах. HEMT показали усиление тока на частотах выше 600 ГГц и усиление мощности на частотах более 1 ТГц.^[8] (Биполярные транзисторы с гетеропереходом были продемонстрированы на текущих частотах усиления более 600 ГГц в апреле 2005 г.) Многие компании по всему миру разрабатывают и производят устройства на основе HEMT. Это могут быть дискретные транзисторы, но чаще они представляют собой «монолитную микроволновую интегральную схему» (MMIC ). HEMT можно найти во многих типах оборудования, начиная от мобильных телефонов и DBS приемники радиоэлектронная борьба такие системы как радар и для радиоастрономия.

Кроме того, HEMT из нитрида галлия на кремниевых подложках используются в качестве силовых переключающих транзисторов для преобразователей напряжения. По сравнению с кремниевыми силовыми транзисторами HEMT из нитрида галлия обладают низким сопротивлением в открытом состоянии и низкими коммутационными потерями из-за свойств широкой запрещенной зоны. Силовые HEMT из нитрида галлия коммерчески доступны для напряжений до 200-600 В.

Смотрите также

• Биполярный транзистор с гетеропереходом

Биполярные транзисторы с гетеропереходом могут использоваться для приложений с частотой гигагерца.

Рекомендации

1. Мимура, Такаши (март 2002 г.). «Ранняя история транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT)». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 50 (3): 780–782. Дои:10.1109/22.989961.
2. США 4163237, Рэй Дингл, Артур Госсард и Хорст Стёрмер, «Высокомобильные многослойные гетеропереходные устройства, использующие модулированное легирование» 
3. Мимура, Такаши (8 декабря 2005 г.). «Разработка транзистора с высокой подвижностью электронов» (PDF). Японский журнал прикладной физики. 44 (12R): 8263–8268. Дои:10.1143 / JJAP.44.8263. ISSN  1347-4065. S2CID  3112776.
4. США 4471366, Даниэль Делажебодеф и Тронг Л. Нуен, «Полевой транзистор с высокой частотой среза и процесс его формирования»  (Патенты Google )
5. [1]
6. Ye, P.D .; Ян, Б .; Ng, K. K .; Bude, J .; Wilk, G.D .; Гальдер, С .; Хван, Дж. К. М. (1 сентября 2004 г.). "GaN MOS-HEMT ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ АТОМНОГО СЛОЯ Al2O3 В КАЧЕСТВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДИЭЛЕКТРИИ И ПОВЕРХНОСТНОЙ ПАССИВАЦИИ". Международный журнал высокоскоростной электроники и систем. 14 (3): 791–796. Дои:10.1142 / S0129156404002843. ISSN  0129-1564.
7. «Фосфид индия: Превышение пределов частоты и интегрирования. Полупроводниковые соединения СЕГОДНЯ и усовершенствованный кремний • Том 1 • Выпуск 3 • Сентябрь 2006 г.» (PDF).
8. «Northrop Grumman устанавливает рекорд с терагерцовым усилителем IC». www.semiconductor-today.com.

внешняя ссылка

• Модуляционно-легированный полевой транзистор