HEMT高電子遷移率晶體管

1、第 頁共6頁第五章高電子遷移率晶體管HEMT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理HEMT基本特性5.3贋高電子遷移率晶體管51HEMT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理高電子遷移率晶體管（HighElectronMobilityTransistor,HEMT）,也稱為2DEG場效應(yīng)晶體管；因用的是調(diào)制摻雜的材料，所以又稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)管。1978年R.Dingle首次在MBE（分子束外延）生長的調(diào)制摻雜GaAs/AlGaAs超晶格中觀察到了相當(dāng)高的電子遷移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT,上世紀(jì)80年代HEMT成功的應(yīng)用于微波低噪聲放大，并在高速數(shù)字IC方面取得了明顯得進(jìn)展。傳訊速度的關(guān)鍵在于電子移動(dòng)速

2、率快慢，HEMT中的電子遷移率很高，因此器件的跨導(dǎo)大、截止頻率高、噪聲低、開關(guān)速度快。表5-1幾種場效應(yīng)晶體管中電子遷移率對(duì)比（單位：cm2/V.s）器件300K77KHEMT800054000GaAsMESFET48006200SiMESFET6301500作為低噪聲應(yīng)用的HEMT已經(jīng)歷了三代變化，低噪聲性能一代比一代優(yōu)異：第一代：AlGaAs/GaAsHEMT，12GHz下，NF為0.3dB，增益為16.7dB。第二代：AlGaAs/InGaAs/GaAsHEMT（PHEMT贋高電子遷移率晶體管），40GHz下，NF為1.1dB；60GHz下,NF為1.6dB；94GHz下,NF為2.1d

3、B。第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF為0.55dB；60GHz下，NF為0.8dB；95GHz下,DtnGsAai-GaAsSI-GnAsNF為1.3dB。AlGaAs/GaAsHEMT的基本結(jié)構(gòu)制作工序：在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層（約0.5um）f高純GaAs層（約60nm）fn型AlGaAs層（約60nm）fn型GaAs層（厚約50nm）f臺(tái)面腐蝕隔離有源區(qū)f制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極f干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層f淀積Ti/Pt/Au圖5-1GaAsHEMT基本結(jié)構(gòu)柵電極。HEMT是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)

4、中的2DEG的濃度實(shí)現(xiàn)控制電流的。柵電壓可以改變?nèi)切蝿葳宓纳疃群蛯挾?，從而可以改?DEG的濃度，所以能控制HEMT的漏極電流。由于2DEG與處在AlGaAs層中的雜質(zhì)中心在空間上是分離的，則不受電離雜質(zhì)散射的影響，所以遷移率很高。圖5-2GaAsHEMT中2-DEGAlGaAs隔離層制作在低溫工作時(shí)，由于晶格振動(dòng)減弱，則n型AlGaAs層中的電離雜質(zhì)中心對(duì)緊鄰的2DEG的Coulomb散射將成為提高遷移率的主要障礙。為完全隔離雜質(zhì)中心與2DEG，往往在n型AlGaAs層與GaAs層之間設(shè)置一厚度約10nm的未摻AlGaAs隔離層，見圖5-3(a)。當(dāng)隔離層厚度大于7nm時(shí)，雜質(zhì)中心的Cou

5、lomb散射即不再是限制電子遷移率的主要因素，見圖5-3(b),而這時(shí)其他散射如界面散射影響將成為重要因素。隔離層厚度太大又會(huì)導(dǎo)致2-DEG面密度下降和源漏串聯(lián)電阻增加等，所以隔離層厚度一般取710nm。(a)HEMT中電離雜質(zhì)隔離層結(jié)構(gòu)圖隔禺肚障實(shí)(MHl圖5-3(b)隔離層厚度與電子遷移率關(guān)系A(chǔ)lGaAs層厚度的選擇從減小串聯(lián)電阻來講，AlGaAs越薄串聯(lián)電阻越小；從器件工作來看，這層應(yīng)當(dāng)完全耗盡，否則在該層出現(xiàn)寄生溝道會(huì)使器件特性嚴(yán)重退化。從器件工作模式方面考慮，耗盡型HEMT中這一層的厚度需要大一些，相反，對(duì)增強(qiáng)型HEMT應(yīng)薄些。對(duì)耗盡型HEMT,AlGaAs層的理想厚度應(yīng)當(dāng)是使柵肖特

6、基勢壘的邊界與提供2DEG而形成的勢壘區(qū)的邊界正好相重疊，通常取3560nmAlGaAs中含Al量x的選擇提高x將使該層材料的禁帶寬度增大，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶突變量AEC增大，從而引起2DEG的濃度增加，可以減小源/柵寄生電阻、提高高頻性能。但是，當(dāng)Al組分x較大時(shí),該晶體的表面質(zhì)量將下降(缺陷增加)，這會(huì)給工藝帶來很多困難，一般取x=0.3on-AlGaAs層摻雜濃度從增大2DEG濃度和提高器件的跨導(dǎo)來講，應(yīng)當(dāng)越高越好；但如果摻雜濃度高于2X1018cm-3,在其上要獲得非隧道肖特基勢壘將很困難，限制了最高的摻雜濃度。HEMT材料的改進(jìn)(1)緩變調(diào)制A1GaAs層。為了消除n-GaAs/n-A

7、1GaAs層界面處的導(dǎo)帶不連續(xù)性，降低界面電阻，在n-GaAs下生長一層Al組分從0變至x的A1GaAs層，厚度比較薄(10-20nm)，再接上摻雜的A1組分為x的AlGaAs層。(2)平面摻雜A1GaAs層。為了克服肖特基勢壘擊穿低的缺點(diǎn)，在生長完隔離層以后，生長一層高濃度摻雜的薄層，濃度在1019cm-3以上，厚度為24nm,這層A1GaAs又叫平面摻雜層或摻雜層.接著再生長不摻雜或低摻雜的AlGaAs層與柵金屬接觸。5.2HEMT基本特性二維電子氣濃度和柵極電壓的關(guān)系A(chǔ)lGaAs/GaAs界面形成的三角形勢阱的深度受到加在柵極上的電壓VG控制，故2-DEG的濃度(面密度)將受VG控制n化

8、&(V*V)根據(jù)電荷控制模型2-DEG濃度ns與VG關(guān)系為：$q(d+Ad)(Goff)其中為AlGaAs的介電常數(shù)，d為該層厚度，VT為HEMT的閾值電壓，為2-DEG的有效厚度。圖5-42-DEG與柵極電壓關(guān)系I-V特性HEM1強(qiáng)電場下工作的耗盡型HEMT和增強(qiáng)型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。iflSaHEMTr,.=(.3V(足4d-:5niT./j：-C.7V=v403CufC：Tl出一出=如圖5-5HEMT漏極電流ID和漏極電壓VDS關(guān)系5.3贋高電子遷移率晶體管(PHEMT)在低溫下HEMT的特性將發(fā)生退化，主要是由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱，它能俘獲和放

9、出電子，使得2-DEG濃度隨溫度而改變，導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)摻硅的AlxGalxAs,當(dāng)xv0.2基本不產(chǎn)生DX中心，反之則會(huì)出現(xiàn)高濃度的DX中心。對(duì)于HEMT中的nAlGaAs層，為了得到較高的能帶突變通常取x=0.3，必然會(huì)有DX中心的影響。為了解決這個(gè)問題，1985年Maselink采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2DEG的溝道材料制成了贋高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm，能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應(yīng)力，在此應(yīng)力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮，使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配，成為贋

10、晶層。因?yàn)镮nGaAs薄層是一層贋晶層且在HEMT中起著i-GaAs層的作用，所以成為“贋”層，這種HEMT也就相應(yīng)地成為贋HEMTo(見圖5-6)i-AlGaAaiGaAsi-InGiAan+-AIG*AaGPHEMT圖5-6PHEMT的基本結(jié)構(gòu)及其能帶圖PHEMT較之常規(guī)HEMT有以下優(yōu)點(diǎn)：InGaAs層二維電子氣的電子遷移率和飽和速度皆高于GaAs，前者電子飽和漂移速度達(dá)到了7.4X1017cm2V-1S-1,后者為4.4X1017cm2V-1S-1,因此工作頻率更高。InGaAs禁帶寬度小于GaAs，因此增加了導(dǎo)帶不連續(xù)性。300K時(shí)GaAs禁帶寬度為1.424eV,InGaAs為0.

11、75eV。InGaAs禁帶寬度低于兩側(cè)AlGaAs和GaAs材料的禁帶寬度，從而形成了量子阱，比常規(guī)HEMT對(duì)電子又多加了一個(gè)限制，有利于降低輸出電導(dǎo)，提高功率轉(zhuǎn)換效率。對(duì)InGaAs兩側(cè)調(diào)制摻雜，形成雙調(diào)制摻雜PHEMT，雙調(diào)制摻雜PHEMT的薄層載流子濃度是常規(guī)PHEMT的二倍，因此有非常高的電流處理能力。對(duì)于1um柵長的器件，在300K和77K下已分別達(dá)到430mA/mm和483mA/mm的水平。(見圖5-7)圖5-7雙調(diào)制摻雜PHEMT能帶圖本章小節(jié)掌握HEMT基本結(jié)構(gòu)*了解HEMT器件的工作機(jī)理為提高常規(guī)HEMT性能，對(duì)材料結(jié)構(gòu)做了哪些改進(jìn)*掌握PHEMT材料結(jié)構(gòu)，與常規(guī)HEMT相比

12、有什么特點(diǎn)*HEMT-高電子遷移率晶體管詞名：HEMT中文解釋：高電子遷移率晶體管常用別名：High-electronmobilitytransistor；highelectronmobilitytransistor縮寫：HEMT來歷：highelectronmobilitytransistor概述一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，為MESFE的變型。此術(shù)語由富士通(Fujitsu)公司提出。高速電子遷移率晶體管，就是利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)與電子在空間能被分隔的優(yōu)點(diǎn)，因此電子得以有很高的遷移率。在此結(jié)構(gòu)中，改變閘極(gate)的電壓，就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流，而達(dá)到放

13、大的目的。因該組件具有很高的向應(yīng)頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于無限與太空通訊以及天文觀測。高電子遷移率晶體管也稱調(diào)制摻雜場效應(yīng)管(M0DFET)，又稱二維電子氣場效應(yīng)管(2DEGFET)，它是利用調(diào)制摻雜方法，在異質(zhì)結(jié)界面形成的三角形勢阱中的二維電子氣作為溝道的場效應(yīng)晶體管，簡稱HEMT。1、分類按溝道種類分為：N溝道HEMT；P溝道一高空穴遷移率晶體管(HHMT)按工作模式分為：耗盡型(D型)HEMT-柵壓為零時(shí)有溝道增強(qiáng)型(E型)HEMT柵壓為零時(shí)無溝道2、原理載流子的遷移率主要受晶格熱振動(dòng)和電離雜質(zhì)兩種散射作用而降低。電離雜質(zhì)散射是增加載流子濃度和提高載流子遷移率矛盾產(chǎn)生的根源。HEMT與其它場效應(yīng)管的主要區(qū)別是它包含一個(gè)由寬帶隙材料(如AlGaAs)和窄帶隙材料(如GaAs)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)。在該異質(zhì)結(jié)中摻N型雜質(zhì)的寬帶隙材料作為電子的提供層向不摻雜窄帶隙材料提供大量電子。這些電子積累在由兩種材料導(dǎo)帶底能量差(AEC)形成的三角形勢阱中形成二維電子氣(2DEG)。由于電子脫離了提供它的