HEMT高电子迁移率晶体管

HEMT⾼电⼦迁移率晶体管
第五章⾼电⼦迁移率晶体管
5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理
5.2 HEMT基本特性
5.3 赝⾼电⼦迁移率晶体管
5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理
⾼电⼦迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因⽤的是调制掺杂的材料，所以⼜称为调制掺杂场效应管。

1978年R.Dingle ⾸次在MBE（分⼦束外延）⽣长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当⾼的电⼦迁移率。

1980年⽇本富⼠通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应⽤于微波低噪声放⼤，并在⾼速数字IC⽅⾯取得了明显得进展。

传讯速度的关键在于电⼦移动速率快慢，HEMT中的电⼦迁移率很⾼，因此器件的跨导⼤、截⽌频率⾼、噪声低、开关速度快。

2
作为低噪声应⽤的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能⼀代⽐⼀代优异：
第⼀代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。

第⼆代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝⾼电⼦迁移率晶体管)，40GHz下，NF为
1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为
2.1dB。

第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。

AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构
制作⼯序：在半绝缘GaAs衬底上⽣长GaAs缓冲层（约
0.5µm）→⾼纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs
层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台⾯腐
蚀隔离有源区→制作Au/Ge合⾦的源、漏欧姆接触电极→
⼲法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au
栅电极。

图5-1 GaAs HEMT基本结构HEMT是通过栅极下⾯的肖特基势垒来控制
GaAs/AlGaAs异质结中的2－DEG的浓度实现控制电
流的。

栅电压可以改变三⾓形势阱的深度和宽度，从
⽽可以改变2－DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏
极电流。

由于2－DEG与处在AlGaAs层中的杂质中⼼在空
间上是分离的，则不受电离杂质散射的影响，所以迁
移率很⾼。

图5-2 GaAs HEMT中2-DEG
AlGaAs隔离层制作
在低温⼯作时，由于晶格振动减弱，则n型AlGaAs层中的电离杂质中⼼对紧邻的2－DEG的Coulomb散射将成为提⾼迁移率的主要障碍。

为完全隔离杂质中⼼与2－DEG，往往在n型AlGaAs层与GaAs层之间设置⼀厚度约10nm的未掺AlGaAs隔离层，见图5-3（a）。

当隔离层厚度⼤于7nm时，杂质中⼼的Coulomb散射即不再是限制电⼦迁移率的主要因素，见图5-3（b），⽽这时其他散射如界⾯散射影响将成为重要因素。

隔离层厚度太⼤⼜会导致2-DEG⾯密度下降和源漏串联电阻增加等，所以隔离层厚度⼀般取7－10nm。

图5-3 （a）HEMT中电离杂质隔离层结构图（b）隔离层厚度与电⼦迁移率关系
AlGaAs层厚度的选择
从减⼩串联电阻来讲，AlGaAs越薄串联电阻越⼩；从器件⼯作来看，这层应当完全耗尽，否则在该层出现寄⽣沟道会使器件特性严重退化。

从器件⼯作模式⽅⾯考虑，耗尽型HEMT中这⼀层的厚度需要⼤⼀些，相反，对增强型HEMT应薄些。

对耗尽型HEMT，AlGaAs 层的理想厚度应当是使栅肖特基势垒的边界与提供2－DEG⽽形成的势垒区的边界正好相重叠，通常取35－60nm
AlGaAs中含Al量x 的选择
提⾼x 将使该层材料的禁带宽度增⼤，导致异质结的导带突变量△EC增⼤，从⽽引起2－DEG的浓度增加，可以减⼩源/栅寄⽣电阻、提⾼⾼频性能。

但是，当Al组分x较⼤时，该晶体的表⾯质量将下降（缺陷增加），这会给⼯艺带来很多困难，⼀般取x ＝0.3。

n-AlGaAs层掺杂浓度
从增⼤2－DEG浓度和提⾼器件的跨导来讲，应当越⾼越好；但如果掺杂浓度⾼于2×1018cm-3，在其上要获得⾮隧道肖特基势垒将很困难，限制了最⾼的掺杂浓度。

HEMT材料的改进
（1）缓变调制A1GaAs层。

为了消除n-GaAs／n-A1GaAs层界⾯处的导带不连续性，降低界⾯电阻，在n-GaAs下⽣长⼀层Al 组分从0变⾄x的A1GaAs层，厚度⽐较薄(10-20nm)，再接上掺杂的A1组分为x的AlGaAs层。

（2）平⾯掺杂A1GaAs层。

为了克服肖特基势垒击穿低的缺点，在⽣长完隔离层以后，⽣长⼀层⾼浓度掺杂的薄层，浓度在1019cm-3以上，厚度为2～4nm，这层A1GaAs⼜叫平⾯掺杂层或δ掺杂层．接着再⽣长不掺杂或低掺杂的AlGaAs层与栅⾦属接触。

5.2 HEMT 基本特性
⼆维电⼦⽓浓度和栅极电压的关系
AlGaAs/GaAs 界⾯形成的三⾓形势阱的深度受到加在栅极上的电压V G 控制，故2-DEG 的浓度(⾯密度)将受V G 控制根据电荷控制模型2-DEG 浓度n s 与V G 关系为: 其中ε为AlGaAs 的介电常数，d 为该层厚度，V T 为HEMT 的阈值电压，△d 为2-DEG 的有效厚度。

图5-4 2-DEG 与栅极电压关系
I-V 特性
强电场下⼯作的耗尽型HEMT 和增强型HEMT
都呈现出平⽅规律的饱和特性。

图 5-5 HEMT 漏极电流I D 和漏极电压V DS 关系
5.3 赝⾼电⼦迁移率晶体管(PHEMT)
在低温下HEMT 的特性将发⽣退化，主要是由于n-AlGaAs 层存在⼀种所谓DX 中⼼的陷阱，它能俘获和放出电⼦，使得2-DEG 浓度随温度⽽改变，导致阈值电压不稳定。

实验表明：对掺硅的AlxGa1－xAs ，当x<0.2基本不产⽣DX 中⼼，反之则会出现⾼浓度的DX 中⼼。

对于HEMT 中的n －AlGaAs 层，为了得到较⾼的能带突变通常取x=0.3，必然会有DX 中⼼的影响。

为了解决这个问题，1985年Maselink 采⽤⾮掺杂的InGaAs 代替⾮掺杂的GaAs 作为2－DEG 的沟道材料制成了赝⾼电⼦迁移率晶体管。

InGaAs 层厚度约为20nm ，能吸收由于GaAs 和InGaAs 之间的晶格失配（约为1％）⽽产⽣的应⼒，在此应⼒作⽤下，InGaAs 的晶格将被压缩，使其晶格常数⼤致与GaAs 与AlGaAs 的相匹配，成为赝晶层。

因)()
(off G s V V d d q n +?+≈ε
为InGaAs薄层是⼀层赝晶层且在HEMT中起着i –GaAs层的作⽤，所以成为“赝”层，这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。

（见图5-6）
图5-6 PHEMT的基本结构及其能带图
PHEMT较之常规HEMT有以下优点：
(1)InGaAs层⼆维电⼦⽓的电⼦迁移率和饱和速度皆⾼于GaAs，前者电⼦饱和漂移速度达到了7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-1S-1，因此⼯作频率更⾼。

(2)InGaAs禁带宽度⼩于GaAs，因此增加了导带不连续性。

300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。

(3)InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从⽽形成了量⼦阱，⽐常规HEMT对电⼦⼜多加了⼀个限制，有利于降低输出电导，提⾼功率转换效率。

对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流⼦浓度是常规PHEMT的⼆倍，因此有⾮常⾼的电流处理能⼒。

对于1µm栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的⽔平。

（见图5-7）
图5-7 双调制掺杂PHEMT能带图
本章⼩节
掌握HEMT基本结构*
了解HEMT器件的⼯作机理
为提⾼常规HEMT性能，对材料结构做了哪些改进*
掌握PHEMT材料结构，与常规HEMT相⽐有什么特点*
HEMT-⾼电⼦迁移率晶体管
词名：HEMT
中⽂解释：⾼电⼦迁移率晶体管
常⽤别名：High-electron-mobility transistor；high electron mobility transistor
缩写：HEMT
来历：high-electron mobility transistor
概述
⼀种异质结场效应晶体管，为MESFE的变型。

此术语由富⼠通(Fujitsu)公司提出。

⾼速电⼦迁移率晶体管，就是利⽤半导体异质结构中杂质与电⼦在空间能被分隔的优点，因此电⼦得以有很⾼的迁移率。

在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，⽽达到放⼤的⽬的。

因该组件具有很⾼的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此⼴泛应⽤于⽆限与太空通讯以及天⽂观测。

⾼电⼦迁移率晶体管也称调制掺杂场效应管（MODFET），⼜称⼆维电⼦⽓场效应管（2DEGFET），它是利⽤调制掺杂⽅法，在异质结界⾯形成的三⾓形势阱中的⼆维电⼦⽓作为沟道的场效应晶体管，简称HEMT。

1、分类
按沟道种类分为：N沟道HEMT；P沟道－⾼空⽳迁移率晶体管（HHMT）
按⼯作模式分为：耗尽型（D型）HEMT--栅压为零时有沟道
增强型（E型）HEMT--栅压为零时⽆沟道
2、原理
载流⼦的迁移率主要受晶格热振动和电离杂质两种散射作⽤⽽降低。

电离杂质散射是增加载流⼦浓度和提⾼载流⼦迁移率⽭盾产⽣的根源。

HEMT与其它场效应管的主要区别是它包含⼀个由宽带隙材料（如AlGaAs）和窄带隙材料（如GaAs）构成的异质结。

在该异质结中掺N型杂质的宽带隙材料作为电⼦的提供层向不掺杂窄带隙材料提供⼤量电⼦。

这些电⼦积累在由两种材料导带底能量差）形成的三⾓形势阱中形成⼆维电⼦⽓（2DEG）。

由于电⼦脱离了提供它（ΔE
C
的宽带隙材料中带正电的施主电离中⼼进⼊了不掺杂（⽆电离杂质散射）窄带隙材料的势阱中，不再受到电离杂质散射作⽤，⽽呈现出很⾼的迁移率。

利⽤这种
⽆杂质散射的⼆维电⼦⽓作为导电沟道，沟道中的电⼦浓度受到栅电压的调制，在栅极两侧设置源区和漏区，这种场效应管就
是HEMT。

3、特点
⾮常⾼的截⽌频率f
T ；⾮常⾼的最⼤频率f
max
；短沟道效应较⼩；噪声性能好。

4、应⽤领域
微波低噪声放⼤
⾼速数字集成电路
⾼速静态随机存储器
低温电路
功率放⼤
微波震荡。