Transistor med høy elektronmobilitet- High-electron-mobility transistor

Tverrsnitt av en GaAs/AlGaAs/InGaAs pHEMT
Bånddiagram over GaAs/AlGaAs heterojunction -baserte HEMT, ved likevekt.

En transistor med høy elektronmobilitet ( HEMT ), også kjent som heterostructure FET ( HFET ) eller modulasjonsdopet FET ( MODFET ), er en felt-effekt-transistor som inneholder et kryss mellom to materialer med forskjellige båndgap (dvs. en heterojunksjon ) som kanalen i stedet for en dopet region (som vanligvis er tilfellet for en MOSFET ). En vanlig materialkombinasjon er GaAs med AlGaAs , selv om det er stor variasjon, avhengig av bruken av enheten. Enheter som inneholder mer indium viser generelt bedre høyfrekvent ytelse, mens galliumnitrid HEMT i de siste årene har tiltrukket seg oppmerksomhet på grunn av deres høyeffektytelse. Som andre FET- er, brukes HEMT-er i integrerte kretser som digitale av / på-brytere. FET kan også brukes som forsterkere for store mengder strøm ved å bruke en liten spenning som et styresignal. Begge disse bruksområdene er muliggjort av FETs unike strømspenningsegenskaper . HEMT-transistorer er i stand til å operere ved høyere frekvenser enn vanlige transistorer, opptil millimeter bølgefrekvenser , og brukes i høyfrekvente produkter som mobiltelefoner , satellitt-TV- mottakere, spenningsomformere og radarutstyr . De er mye brukt i satellittmottakere, i forsterkere med lav effekt og i forsvarsindustrien.

Fordeler

Fordelene med HEMT er at de har høy gevinst, dette gjør dem nyttige som forsterkere; høye byttehastigheter, som oppnås fordi hovedladebærerne i MODFET er majoritetsbærere, og minoritetsbærere ikke er vesentlig involvert; og ekstremt lave støyverdier fordi den nåværende variasjonen i disse enhetene er lav sammenlignet med andre.


Historie

Oppfinnelsen av transistoren med høy elektronmobilitet (HEMT) tilskrives vanligvis fysikeren Takashi Mimura (三 村 高志), mens han jobbet på Fujitsu i Japan. Grunnlaget for HEMT var GaAs (galliumarsenid) MOSFET (metall-oksid-halvleder-felt-effekt-transistor), som Mimura hadde forsket på som et alternativ til standard silisium (Si) MOSFET siden 1977. Han unnfanget HEMT våren 1979, da han leste om et modulert dopet heterojunction supergitter utviklet på Bell Labs i USA, av Ray Dingle, Arthur Gossard og Horst Störmer som inngav patent i april 1978. Mimura inngav patentopplysning for en HEMT i august 1979, og deretter et patent senere samme år. Den første demonstrasjonen av en HEMT-enhet, D-HEMT, ble presentert av Mimura og Satoshi Hiyamizu i mai 1980, og deretter demonstrerte de senere den første E-HEMT i august 1980.

Uavhengig av hverandre inngav Daniel Delagebeaudeuf og Trong Linh Nguyen, mens de jobbet i Thomson-CSF i Frankrike, patent på en lignende type felt-effekt-transistor i mars 1979. Det siterer også Bell Labs-patentet som en innflytelse. Den første demonstrasjonen av en "omvendt" HEMT ble presentert av Delagebeaudeuf og Nuyen i august 1980.

En av de tidligste omtale av en GaN-basert HEMT er i artikkelen Applied Physics Letters fra 1993 av Khan et al . Senere, i 2004, demonstrerte PD Ye og B. Yang et al en GaN (galliumnitrid) metall-oksid-halvleder HEMT (MOS-HEMT). Den brukte atomlag avsetning (ALD) aluminiumoksyd (Al 2 O 3 ) film både som en port dielektrisk og for overflatepassivering .

Konseptuell analyse

HEMT er heterojunctions . Dette betyr at halvlederne som brukes har forskjellige båndgap . For eksempel har silisium et båndgap på 1,1 elektronvolt (eV), mens germanium har et båndgap på 0,67 eV. Når en heterojunksjon dannes, må ledningsbåndet og valensbåndet i hele materialet bøyes for å danne et kontinuerlig nivå.

De HEMTs' eksepsjonell bærermobilitet og bytter hastighet kommer fra de følgende betingelser: Det brede båndelementet er dopet med donoratomer; dermed har det overflødige elektroner i ledningsbåndet. Disse elektronene vil diffundere til det tilstøtende smalbåndsmaterialets ledningsbånd på grunn av tilgjengeligheten av tilstander med lavere energi. Bevegelsen av elektroner vil forårsake en endring i potensialet og dermed et elektrisk felt mellom materialene. Det elektriske feltet vil skyve elektroner tilbake til det brede båndelementets ledningsbånd. Diffusjonsprosessen fortsetter til elektrondiffusjon og elektrondrift balanserer hverandre, og skaper et kryss ved likevekt som ligner et pn -kryss . Vær oppmerksom på at det udopede smalbåndsmellemateriale nå har overskytende flertallsbærere. Det faktum at ladingsbærerne er majoritetsbærere gir høye koblingshastigheter, og det faktum at halvbåndet med lav båndgap er udopet betyr at det ikke er donoratomer som forårsaker spredning og gir dermed høy mobilitet.

Et viktig aspekt ved HEMT er at bånddiskontinuitetene på tvers av lednings- og valensbåndene kan modifiseres separat. Dette gjør at typen bærere inn og ut av enheten kan kontrolleres. Siden HEMT krever at elektronene er hovedbærerne, kan en gradert doping påføres i et av materialene, og dermed gjøre ledningsbåndets diskontinuitet mindre og holde valensbåndets diskontinuitet den samme. Denne spredningen av bærere fører til akkumulering av elektroner langs grensen til de to områdene inne i smalbåndsmellematerialet. Akkumulering av elektroner fører til en veldig høy strøm i disse enhetene. De akkumulerte elektronene er også kjent som 2DEG eller todimensjonal elektrongass.

Begrepet " modulasjonsdoping " refererer til det faktum at dopemidlene er romlig i et annet område enn de strømførende elektronene. Denne teknikken ble oppfunnet av Horst Störmer ved Bell Labs .

Forklaring

For å tillate ledning, er halvledere dopet med urenheter som donerer enten mobile elektroner eller hull . Imidlertid bremses disse elektronene gjennom kollisjoner med urenheter (dopemidler) som brukes til å generere dem i utgangspunktet. HEMT-er unngår dette ved bruk av elektroner med høy mobilitet generert ved bruk av heterojunksjonen av et sterkt dopet bredt båndgap n-type donor-supply-lag (AlGaAs i vårt eksempel) og et ikke-dopet smalbåndgapkanallag uten dopantforurensninger (GaAs i dette tilfellet).

Elektronene som genereres i det tynne n-typen AlGaAs-laget faller helt ned i GaAs-laget for å danne et utarmet AlGaAs-lag, fordi heterojunksjonen som skapes av forskjellige båndgapmaterialer danner en kvantebrønn (en bratt canyon) i ledningsbåndet på GaAs siden der elektronene kan bevege seg raskt uten å kollidere med urenheter fordi GaAs -laget er udopet, og som de ikke kan rømme fra. Effekten av dette er å lage et veldig tynt lag med svært mobile ledende elektroner med veldig høy konsentrasjon, noe som gir kanalen veldig lav resistivitet (eller for å si det på en annen måte, "høy elektronmobilitet").

Elektrostatisk mekanisme

Siden GaAs har høyere elektronaffinitet , overføres frie elektroner i AlGaAs -laget til det udopedede GaAs -laget der de danner en todimensjonal elektron med høy mobilitet innenfor 100 ångström (10 nm ) av grensesnittet. N-type AlGaAs-laget i HEMT er fullstendig utarmet gjennom to uttømmingsmekanismer:

  • Fangst av frie elektroner ved overflatetilstander forårsaker overflatemangel.
  • Overføring av elektroner til det udopedede GaAs -laget medfører uttømming av grensesnittet.

Den Fermi-nivå av porten metall stemmer overens med den låsing punkt, som er 1,2 eV under ledningsbåndet. Med den reduserte tykkelsen på AlGaAs -lag, er elektronene levert av givere i AlGaAs -laget utilstrekkelig til å feste laget. Som et resultat beveger båndbøyningen seg oppover og den todimensjonale elektrongassen vises ikke. Når en positiv spenning større enn terskelspenningen tilføres porten, akkumuleres elektroner ved grensesnittet og danner en todimensjonal elektrongass.

Produksjon

MODFETs kan produseres ved epitaksial vekst av et anstrengt SiGe -lag. I det anstrengte laget øker germaniuminnholdet lineært til rundt 40-50%. Denne konsentrasjonen av germanium tillater dannelse av en kvantebrønnstruktur med en høy ledningsbåndforskyvning og en høy tetthet av veldig mobile ladningsbærere . Sluttresultatet er en FET med ultrahøye byttehastigheter og lav støy. InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN og andre forbindelser brukes også i stedet for SiGe. InP og GaN begynner å erstatte SiGe som grunnmateriale i MODFETs på grunn av deres bedre støy- og effektforhold.

Versjoner av HEMT

Ved vekstteknologi: pHEMT og mHEMT

Ideelt sett vil de to forskjellige materialene som brukes for en heterojunksjon ha samme gitterkonstant (mellomrom mellom atomene). I praksis er gitterkonstantene vanligvis litt forskjellige (f.eks. AlGaA på GaA), noe som resulterer i krystalldefekter. Tenk deg som en analogi å skyve sammen to plastkammer med litt forskjellig avstand. Med jevne mellomrom ser du to tenner klumpe seg sammen. I halvledere danner disse diskontinuitetene dypnivåfeller og reduserer enhetens ytelse kraftig.

En HEMT der denne regelen brytes kalles en pHEMT eller pseudomorf HEMT. Dette oppnås ved å bruke et ekstremt tynt lag av et av materialene - så tynt at krystallgitteret ganske enkelt strekker seg for å passe til det andre materialet. Denne teknikken tillater konstruksjon av transistorer med større båndgapforskjeller enn ellers mulig, noe som gir dem bedre ytelse.

En annen måte å bruke materialer av forskjellige gitterkonstanter på er å plassere et bufferlag mellom dem. Dette gjøres i mHEMT eller metamorf HEMT, en fremgang av pHEMT. Bufferlaget er laget av AlInAs , med indiumkonsentrasjonen gradert slik at det kan matche gitterkonstanten til både GaAs -substratet og GaInAs -kanalen. Dette gir fordelen med at praktisk talt enhver indiumkonsentrasjon i kanalen kan realiseres, slik at enhetene kan optimaliseres for forskjellige bruksområder (lav indiumkonsentrasjon gir lav støy , høy indiumkonsentrasjon gir høy forsterkning ).

Ved elektrisk oppførsel: eHEMT og dHEMT

HEMTer laget av halvleder-hetero-grensesnitt som mangler grenseflate nettpolarisasjonsladning, for eksempel AlGaAs/GaAs, krever positiv grensespenning eller passende donordoping i AlGaAs-barrieren for å tiltrekke elektronene mot porten, som danner 2D-elektrongassen og muliggjør ledning av elektronstrømmer. Denne oppførselen ligner den for vanlige felt-effekt-transistorer i forbedringsmodus, og en slik enhet kalles enhancement HEMT eller eHEMT .

Når et HEMT er bygget fra AlGaN / Gan , større tetthet og gjennomslagsspenningen kan oppnås. Nitrider har også forskjellig krystallstruktur med lavere symmetri, nemlig wurtzitt- en, som har innebygd elektrisk polarisering. Etter denne polariserings skiller mellom Gan kanallaget og AlGaN barrieresjikt, et ark av ukompensert ladning i størrelsesorden 0,01 til 0,03 C / m dannes. På grunn av krystallorienteringen som vanligvis brukes for epitaksial vekst ("gallium-face") og enhetsgeometrien som er gunstig for fabrikasjon (gate på toppen), er dette ladearket positivt, noe som forårsaker at 2D elektrongass dannes selv om det ikke er doping . En slik transistor er normalt på, og vil bare slå seg av hvis porten er negativt forspent - derfor er denne typen HEMT kjent som depletion HEMT , eller dHEMT . Ved tilstrekkelig doping av barrieren med akseptorer (f.eks. Mg ) kan den innebygde ladningen kompenseres for å gjenopprette den mer vanlige eHEMT- operasjonen, men høy tetthet p-doping av nitrider er teknologisk utfordrende på grunn av dopantdiffusjon i kanalen.

Indusert HEMT

I motsetning til en modulasjons-dopet HEMT, gir en indusert transistor med høy elektronmobilitet fleksibiliteten til å justere forskjellige elektrontettheter med en toppport , siden ladningsbærerne blir "indusert" til 2DEG- planet i stedet for å bli skapt av dopemidler. Fraværet av et dopet lag øker elektronmobiliteten betydelig sammenlignet med deres modulasjonsdopede kolleger. Dette rensnivået gir muligheter til å utføre forskning på Quantum Billiard for kvantekaosstudier , eller applikasjoner i ultrastabile og ultrafølsomme elektroniske enheter.

applikasjoner

Applikasjoner (for eksempel for AlGaAs på GaAs) er lik de av MESFET'er - mikrobølgeovn og millimeterbølge- kommunikasjon , bildebehandling, radar og radio astronomi - en hvilken som helst anvendelse hvor høy forsterkning og lav støy ved høye frekvenser er nødvendig. HEMT har vist strømforsterkning til frekvenser større enn 600 GHz og effektforsterkning til frekvenser større enn 1 THz. ( Heterojunction bipolare transistorer ble demonstrert ved nåværende forsterkningsfrekvenser over 600 GHz i april 2005.) Mange selskaper over hele verden utvikler og produserer HEMT-baserte enheter. Disse kan være diskrete transistorer, men er mer vanligvis i form av en 'monolitisk mikrobølge integrert krets' ( MMIC ). HEMT finnes i mange typer utstyr, alt fra mobiltelefoner og DBS -mottakere til elektroniske krigføringssystemer som radar og radioastronomi .

Videre brukes galliumnitrid -HEMT -er på silisiumsubstrater som strømbryter -transistorer for applikasjoner med spenningsomformer. Sammenlignet med silisiumkrafttransistorer har galliumnitrid HEMT-er lavt motstand i tilstanden og lave byttetap på grunn av de brede båndgapegenskapene. Galliumnitrid-effekt HEMT er kommersielt tilgjengelige opp til spenninger på 200 V-600 V.

Se også

Heterojunction bipolare transistorer kan brukes til giga hertz applikasjoner.

Referanser

  1. ^ a b c d Mimura, Takashi (mars 2002). "Den tidlige historien til transistor med høy elektronmobilitet (HEMT)". IEEE -transaksjoner om mikrobølge teori og teknikker . 50 (3): 780–782. doi : 10.1109/22.989961 .
  2. ^ US 4163237 , Ray Dingle, Arthur Gossard og Horst Störmer, " Høymobilitet flerlags heterojunksjoner som bruker modulert doping" 
  3. ^ Mimura, Takashi (8. desember 2005). "Utvikling av transistor med høy elektronmobilitet" (PDF) . Japanese Journal of Applied Physics . 44 (12R): 8263–8268. doi : 10.1143/JJAP.44.8263 . ISSN  1347-4065 . S2CID  3112776 . Arkivert fra originalen (PDF) 8. mars 2019.
  4. ^ US 4471366 , Daniel Delagebeaudeuf og Trong L. Nuyen, "Felt-effekt-transistor med høy cut-off-frekvens og prosess for dannelse av samme"  ( Google Patents )
  5. ^ [1]
  6. ^ Ye, PD; Yang, B .; Ng, KK; Bude, J .; Wilk, GD; Halder, S .; Hwang, JCM (1. september 2004). "GaN MOS-HEMT USING ATOMIC LAYER Deposition Al2O3 AS GATE DIELECTRIC AND OVERFACE PASSIVATION". International Journal of High Speed ​​Electronics and Systems . 14 (3): 791–796. doi : 10.1142/S0129156404002843 . ISSN  0129-1564 .
  7. ^ "Indiumfosfid: Grenser for frekvens og integrering. Halvleder TODAY Compounds & AdvancedSilicon • Vol. 1 • Utgave 3 • September 2006" (PDF) .
  8. ^ "Northrop Grumman setter rekord med terahertz IC -forsterker" . www.semiconductor-today.com .

Eksterne linker