Введение

Тип полевого транзистора

Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT или HEM FET), также известный как гетероструктурный полевой транзистор (HFET) или транзистор с модуляционной примесью (MODFET), – это полевой транзистор, включающий переход между двумя материалами с различными ширинами запрещенной зоны (то есть гетеропереход) в качестве канала, а не допированную область (как это обычно бывает в MOSFET). Наиболее часто используемой комбинацией материалов является GaAs с AlGaAs, хотя существует значительное разнообразие в зависимости от области применения прибора. Приборы с более высоким содержанием индия обычно демонстрируют лучшие высокочастотные характеристики, а в последние годы транзисторы HEMT на основе нитрида галлия привлекли внимание благодаря своей высокой мощности. Как и другие полевые транзисторы, HEMT используются в интегральных схемах в качестве цифровых ключей. Полевые транзисторы также могут использоваться в качестве усилителей для больших токов, используя небольшое напряжение в качестве управляющего сигнала. Оба этих применения возможны благодаря уникальным вольт-амперным характеристикам полевых транзисторов. Транзисторы HEMT способны работать на более высоких частотах, чем обычные транзисторы, вплоть до миллиметровых волн, и используются в высокочастотных устройствах, таких как сотовые телефоны, спутниковые телевизионные приемники, преобразователи напряжения и радиолокационное оборудование. Они широко применяются в спутниковых приемниках, маломощных усилителях и в оборонной промышленности.

Приложения

Приложения HEMT включают в себя микроволновую и миллиметровую связь, визуализацию, радиолокацию, радиоастрономию и переключение мощности. Они применяются в различных типах оборудования, от сотовых телефонов, адаптеров питания и DBS-приемников до систем радиоастрономии и 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 составе интегральных схем переключения мощности. HEMT подходят для применений, требующих высокого коэффициента усиления и низкого уровня шума на высоких частотах, поскольку они демонстрируют усиление тока на частотах выше 600 ГГц и усиление мощности на частотах выше 1 ТГц. HEMT на основе нитрида галлия используются в качестве силовых переключающих транзисторов в приложениях преобразователей напряжения благодаря их низкому сопротивлению в открытом состоянии, низким потерям при переключении и высокой пробивной способности. К этим приложениям для преобразователей напряжения на основе нитрида галлия относятся адаптеры переменного тока, которые выигрывают от уменьшенных габаритов за счет использования меньших пассивных электронных компонентов в силовой схеме. В основе HEMT лежит MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) на основе GaAs (арсенида галлия), который Мимура исследовал с 1977 года как альтернативу стандартному кремниевому (Si) MOSFET. Идея HEMT возникла у него весной 1979 года, когда он ознакомился с информацией о модулированном гетероструктурном сверхрешетчатом слое, разработанном в Bell Labs в США. Мимура подал заявку на патент на HEMT в августе 1979 года, а затем получил патент позднее в том же году. 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. Первая демонстрация "инвертированного" HEMT была представлена Делагебодо и Нюеном в августе 1980 года. Позднее, в 2004 году, П.Д. Е и Б. Ян с соавторами продемонстрировали MOS HEMT (металл-оксид-полупроводниковый HEMT) на основе GaN (нитрида галлия). В нем использовалась пленка оксида алюминия (Al2O3), нанесенная методом атомно-слоевого осаждения (ALD), как в качестве диэлектрика затвора, так и для пассивации поверхности.

Операция

Транзисторы полевого эффекта, работа которых основана на формировании двумерного электронного газа (2DEG), известны как HEMT. В HEMT электрический ток протекает между стоком и истоком через 2DEG, который расположен на границе между двумя слоями с различными ширинами запрещенной зоны, называемой гетеропереходом. Некоторые примеры ранее исследованных составов слоев гетероструктур для HEMT включают AlGaN/GaN и Si/SiGe.

Создание канала 2DEG

Широкополосный элемент легирован донорными атомами, поэтому в его зоне проводимости имеется избыток электронов. 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. Это электрическое поле будет возвращать электроны обратно в зону проводимости широкополосного элемента. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока диффузия и дрейф электронов не уравновесятся, формируя равновесный переход, аналогичный p–n переходу. Следует отметить, что в нелегированном узкополосном материале теперь наблюдается избыток основных носителей заряда. Тот факт, что носители заряда являются основными, обеспечивает высокую скорость переключения, а отсутствие легирования в полупроводнике с низкой шириной запрещенной зоны означает отсутствие донорных атомов, вызывающих рассеяние, что приводит к высокой подвижности. В случае GaAs HEMT используется высокая подвижность электронов, создаваемая гетеропереходом сильно легированного широкого диапазона n-типа донорного слоя (AlGaAs в нашем примере) и нелегированного узкого диапазона канального слоя без допирующих примесей (GaAs в данном случае). Электроны, генерируемые в тонком n-типе AlGaAs слое, полностью переходят в GaAs слой, формируя обедненный AlGaAs слой, поскольку гетеропереход, образованный материалами с разной шириной запрещенной зоны, формирует квантовую яму (глубокий потенциальный колодец) в зоне проводимости на стороне GaAs, где электроны могут быстро перемещаться, не сталкиваясь с примесями, поскольку GaAs слой нелегирован, и из которой они не могут выйти. В результате формируется очень тонкий слой высокоподвижных проводящих электронов с очень высокой концентрацией, что обеспечивает каналу очень низкое удельное сопротивление (или, другими словами, "высокую подвижность электронов").

Электростатический механизм

Поскольку GaAs имеет более высокое электронное сродство, свободные электроны в слое AlGaAs переходят в недопированный слой GaAs, где они формируют двумерный электронный газ с высокой подвижностью в пределах 100 ангстрем (10 нм) от границы раздела. n-тип слой AlGaAs в ГЭТ полностью обедняется посредством двух механизмов обеднения: захват свободных электронов поверхностными состояниями вызывает обеднение поверхности, а перенос электронов в недопированный слой GaAs приводит к обеднению на границе раздела. Уровень Ферми металла затвора согласован с точкой закрепления, которая находится на 1,2 эВ ниже края зоны проводимости. При уменьшении толщины слоя AlGaAs электронов, поставляемых донорами в слое AlGaAs, недостаточно для закрепления слоя. В результате, изгиб зон перемещается вверх, и двумерный электронный газ не формируется. При приложении к затвору положительного напряжения, превышающего пороговое, электроны накапливаются на границе раздела и образуют двумерный электронный газ.

Модулирующий допинг в гемоглобинных терапевтических терапиях

Важным аспектом HEMT является то, что разрывы зон проводимости и валентной зоны могут быть изменены независимо друг от друга. Это позволяет контролировать тип носителей заряда, входящих в устройство и выходящих из него. Поскольку для работы HEMT необходимы электроны в качестве основных носителей, в одном из материалов можно применить градиентное допирование, тем самым уменьшив разрыв зон проводимости и сохранив разрыв валентной зоны. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы между двумя областями внутри материала с узкой запрещенной зоной. Накопление электронов обеспечивает очень высокий ток в этих устройствах. Термин "модуляционное допирование" отражает тот факт, что допанты пространственно отделены от электронов, переносящих ток. Эта технология была изобретена Хорстом Штормером в лабораториях Bell.

Производство

MODFET могут быть изготовлены эпитаксиальным выращиванием напряженного слоя SiGe. В этом напряженном слое содержание германия линейно возрастает до примерно 40–50%. Такая концентрация германия обеспечивает формирование квантовой ямы с высоким барьером зоны проводимости и высокой плотностью очень подвижных носителей заряда. Конечным результатом является ФЭТ 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 материала основы для MODFET благодаря лучшим показателям по шуму и мощности.

По технологии выращивания: pHEMT и mHEMT

В идеале, два различных 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 кристаллической структуры. В качестве аналогии, представьте, что вы сжимаете вместе два пластиковых гребня с немного различающимся шагом зубьев. Через определенные промежутки вы увидите, как два зубца сближаются. В полупроводниках эти несоответствия формируют глубокие ловушки и значительно снижают характеристики устройства. ГЭМТ, в котором это правило нарушено, называется p-ГЭМТ или псевдоморфной ГЭМТ. Это достигается использованием чрезвычайно тонкого слоя одного из материалов – настолько тонкого, что кристаллическая решетка просто растягивается, чтобы соответствовать другому материалу. Эта техника позволяет создавать транзисторы с большей разницей в ширине запрещенной зоны, чем это было бы возможно иным образом, что обеспечивает им более высокую производительность. Другой способ использования материалов с разными постоянными решетки – размещение между ними буферного слоя. Это применяется в m-ГЭМТ или метаморфной ГЭМТ, являющейся усовершенствованием p-ГЭМТ. Буферный слой изготавливается из AlInAs, при этом концентрация индия градиентно изменяется таким образом, чтобы соответствовать постоянной решетки как подложки GaAs, так и канала GaInAs. Это дает преимущество в том, что практически любая концентрация индия в канале может быть реализована, что позволяет оптимизировать устройства для различных применений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий уровень шума, а высокая концентрация индия – высокий коэффициент усиления).

По электрическому поведению: eHEMT и dHEMT

HEMT, изготовленные из полупроводниковых гетероинтерфейсов, не содержащих чистый поляризующий заряд на границе, таких как AlGaAs/GaAs, требуют положительного напряжения на затворе или соответствующего допирования донорами в барьере AlGaAs для притяжения электронов к затвору, что формирует двумерный электронный газ и обеспечивает протекание электронного тока. Это поведение аналогично обычно используемым полевым транзисторам в режиме обогащения, и такое устройство называется HEMT с обогащением, или eHEMT. При создании HEMT на основе AlGaN/GaN можно достичь более высокой удельной мощности и пробивного напряжения. Нитриды также имеют иную кристаллическую структуру с меньшей симметрией, а именно вюрцитную, которая обладает встроенной электрической поляризацией. Поскольку эта поляризация различается между канальным слоем GaN и барьерным слоем AlGaN, формируется плоскость нескомпенсированного заряда порядка 0,01–0,03 Кл/м². Благодаря типичной ориентации кристалла, используемой для эпитаксиального роста ("галлиевой стороной") и геометрии устройства, благоприятной для изготовления (затвор сверху), эта плоскость заряда является положительной, что приводит к формированию двумерного электронного газа даже при отсутствии допирования. Такой транзистор обычно находится во включенном состоянии и отключается только при отрицательном смещении на затворе – таким образом, этот тип HEMT известен как HEMT с обеднением, или dHEMT. При достаточном допировании барьера акцепторами (например, магнием) встроенный заряд может быть компенсирован для восстановления более привычной работы eHEMT, однако высокоплотное p-допирование нитридов является технологически сложной задачей из-за диффузии примеси в канал.

Индуцированная гемоглобинальная терапия

В отличие от HEMT с модуляционной допировкой, транзистор с индуцированной высокой подвижностью электронов предоставляет возможность регулировать различные концентрации электронов с помощью верхнего затвора, поскольку носители заряда "индуцируются" в плоскость двумерного электронного газа, а не создаются за счет допантов. Отсутствие допированного слоя значительно увеличивает подвижность электронов по сравнению с транзисторами с модуляционной допировкой. Такая высокая степень чистоты открывает возможности для проведения исследований в области квантового бильярда с целью изучения квантового хаоса, а также для создания ультрастабильных и ультрачувствительных электронных устройств.