第三讲高电子迁移率晶体管
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。
《AlGaN-GaNMOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》范文
《AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》篇一AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性一、引言随着半导体技术的不断发展，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）已成为射频和微波电路的重要元件。
在HEMT器件中，电子迁移率以及电流-电压（I-V）输出特性是评估其性能的关键参数。
本文将重点研究AlGaN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）的电子迁移率及其I-V输出特性，以期为相关研究与应用提供理论支持。
二、AlGaN/GaN MIS-HEMT结构与工作原理AlGaN/GaN MIS-HEMT是一种利用二维电子气（2DEG）工作的晶体管，其结构主要由AlGaN/GaN层、栅极绝缘层以及源漏电极等部分组成。
在电场作用下，AlGaN/GaN界面处产生2DEG，从而形成导电通道，实现电流的传输。
三、电子迁移率的研究电子迁移率是衡量半导体材料中电子运动能力的重要参数，直接影响着器件的导电性能。
在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，电子迁移率受到材料质量、界面态密度、温度等多种因素的影响。
首先，材料质量对电子迁移率的影响至关重要。
高质量的AlGaN/GaN材料具有较低的缺陷密度和较高的载流子浓度，从而使得电子迁移率得以提高。
其次，界面态密度也会对电子迁移率产生影响。
界面处存在过多的陷阱态会散射电子，降低其迁移率。
此外，温度也是影响电子迁移率的重要因素。
随着温度的升高，电子的热运动加剧，使得迁移率降低。
四、I-V输出特性的研究I-V输出特性是描述器件电流与电压关系的曲线，反映了器件的导电性能和稳定性。
在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，I-V输出特性受到栅极电压、源漏电压以及器件结构等因素的影响。
首先，栅极电压对I-V输出特性具有显著影响。
当栅极电压增大时，2DEG的密度增加，导致电流增大。
其次，源漏电压的变化也会引起I-V特性的变化。
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。
表5-1 几种场效应晶体管中电子迁移率对比(单位：cm2/V.s)器件300K 77KHEMT 8000 54000GaAs MESFET 4800 6200Si MESFET 630 1500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。
高电子迁移率晶体管（HEMT）
高电子迁移率晶体管（HEMT）高电子迁移率晶体管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）：HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。
这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。
上世纪70年代采用MBE 和MOCVD就制备出了异质结。
1978年Dingle等首先证实了在AlGaAs/GaAs调制掺杂异质结中存在高迁移率二维电子气；然后于1980年，Mimura等、以及Delagebeaudeuf等研制出了HEMT。
从此HEMT就很快地发展起来了，有可能在高速电路领域内替代MESFET。
HEMT的原理结构和能带图（1）FET-IC实现超高频、超高速的困难（提高载流子迁移率的重要性）因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd ∝ CL/(μnVm)和减小器件的开关能量(使IC 不致因发热而损坏)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速。
解决此矛盾的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅, 以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd 则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。
（2）HEMT的工作原理：HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。
在图中示出了AlGaAs/GaAs异质结HEMT的结构和相应的能带图；在宽禁带的AlGaAs层（控制层）中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层（沟道层）中不掺杂（即为本征层）。
这里AlGaAs/GaAs就是一个调制掺杂异质结，在其界面、本征半导体一边处，就构成一个电子势阱（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。
集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件
发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」（英文：Scaling down）“比例缩小”是指，在电场 强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：
仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）
目录
一．晶体管器件概述 二．金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三．绝缘体上晶体管技术 四．三维晶体管技术 五．其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET） 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利 用线状或者片状（平板状）的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层（BOX）
p-衬底 (b)
优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件 性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应， 对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；
挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ，引起自加热效应；成本高昂。
半导体器件物理专题 -HEMT综述
2.GaN体系HEMT
HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或 InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。 异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并 将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。 高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去 导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电 子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述 来源的电子。AIGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度既取决 于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自 发极化效应的影响。
二.两种体系的HEMT
以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体 管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的 高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功 耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计 算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而 HEMT 器件受到广泛的重视。作为新一代微波及毫米波器 件,HEMT 器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表 现出无与伦比的优势. 经过 10 多年的发展,HEMT 已经具 备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2～100 GHz 的卫星 通信、射电天文、电子战等领域中的微波毫米波低噪声 放大器的主要器件。同时他也是用来制作微波混频器、 振荡器和宽带行波放大器的核心部件。
1.GaAs体系HEMT
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。
GaN高电子迁移率晶体管的研究进展
基金项目：国家自然科学基金重点基金（60736033）；西安应用材料创新基金项目（XA-AM-200703）定稿日期：2008-10-10作者简介：张金风（1977-），女，陕西铜川人，博士，副教授，研究方向为GaN 器件机理等。
1引言在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管（HEMT ）是应用于高频大功率场合最主要的器件。
这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气（2DEG ）形成导电沟道，2DEG 的密度、迁移率和饱和速度等决定了器件的电流处理能力。
基于GaN 及相关Ⅲ族氮化物材料（AlN ，InN ）的HEMT 则是目前化合物半导体电子器件的研究热点。
与第2代半导体GaAs 相比，GaN 在材料性质方面具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT 的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且Ⅲ族氮化物材料具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT 材料结构中2DEG 的密度和迁移率，赋予GaN HEMT 非常强大的电流处理能力。
根据各种半导体的材料性能，从输出功率和频率的角度给出了具体应用范围。
显然，GaN HEMT 非常适合无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率应用；在航空航天、核工业、军用电子等对化学稳定性和热稳定性要求很高的应用场合，GaN HEMT 也是理想的候选器件之一。
自1993年第一只GaN HEMT 问世以来[1]，对它的研究速度很快且成果丰富，但即便是已发展到初步商用的今天，该领域仍存在大量的科学问题，表现出“需求超前于技术，技术超前于科研”的特点。
进入21世纪以后，GaN HEMT 的材料结构以AlGaN/GaN异质结为主，器件工艺和热处理手段基本成熟，主要研究热点集中在通过器件结构设计和材料结构纵向设计来提高GaN HEMT 的频率特性和功率特性，削弱和消除电流崩塌等相关可靠性问题。
在此将全面综述这些研究进展。
HEMT介绍
二、HEMT的发展历史
1980年，日本富士通公司的三村研制出了HEMT， 是一种调制掺杂GaAs/n-AlxGa1-xAs异质结构场效应管；
1985年，T.W.Waselink提出InGaAs沟道HEMT，即 PHEMT（赝配高电子迁移率晶体管）；
1993年，第一只GaN基HEMT问世；
进入21世纪后，GaN基HEMT的材料结构以 AlGaN/GaN异质结为主。
反型层中的电子在垂直于层面方向被限制在一个小于100的尺度内运动而在平行于层面方向可以自由地运反型层中的2deg结构三二维电子气2deg的能量状态垂直于表面z方向势阱宽度很小能量发生量子化平行于表面xy方向电子运动几乎是自由的则反型层中的2deg结构三二维电子气2deg的能量状态反型层中的电子受z方向量子效应的影响电子浓度的分布随离开表面的距离而增加然后又减小
❖ 高击穿电场：高击穿电场意味着材料能工作于更高电压，从而提高 输出功率。GaN 击穿电场远高于 GaAs 和 Si，其可以满足更高的功 率要求。
❖ 电子饱和速度高：电子饱和速度高意味着高开关性能和强电流处理 能力，高频性能优异。
❖ 热导率高：良好的导热性有利于散热，保证器件稳定工作。
一、GaN材料
2DEG电子迁移率与隔离层厚度d 的理论计算曲线
三、GaAs体系HEMT的重要参数
3、2DEG浓度Ns： 随着隔离层厚度的增加，
2DEG浓度Ns减小。对于相 同的隔离层厚度，Ns的大小 与Al组分x相关，可看到当 x=0.4时，Ns最小。 x=0.3~0.35时，Ns最高。这 个结果与实验规律是一致的。
GaN基器件的优点：
二、GaN基HEMT
截面图
实物图
二、GaN基HEMT
因GaN材料的独特性能, AlGaN/GaN HEMT 显露出优良的 器件特性,使其在大功率、高频率领域具有广阔的应用前景。 有别于AlGaAs/GaAs，GaN基异质结结构的最主要特点是 极化效应。 当没有外加电场时，总极化场为 Ptot=PSP+PPE
GaAs HEMT
之则为增强型器件；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高, 则工作时就不能耗
尽, 而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。对于HEMT，主要是要控制好宽禁 带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。
HEMT 栅压与电流关系
HEMT 分类
按沟道种类分为： N沟道HEMT； P沟道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
电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。
HEMT 发明
GaAs HEMT 制备工艺
HEMT工作原理
HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg 可控制异质结势阱的深度，则可控
制势阱中 2-DEG 的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于 GaAs 体系的
HEMT，通常其中的 n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 。若n-AlxGa1-xAs层 厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg =0 时就存在有2-DEG, 为耗尽型器件，反
HEMT 的应用
谢谢大家
GaAs HEMT
（High Electron Mobility Transistors）
高电子迁移率晶体管
演讲人：张福生 时 间：2016.12.20
HEMT 简介
HEMT 高电子迁移率晶体管。这是一 种异质结场效应晶体管，又称为调
制掺杂场效应晶体管（ ）、
二 维 电 子 气 场 效 应 晶 体 管 （ 2DEGFET ）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。这种器件及其集成电路都 能够工作于超高频（毫米波）、超 高速领域，原因就在于它是利用具 有很高迁移率的所谓二维电子气来 工作的。
pHEMT 赝配高电子迁移率晶体管
虽然普通结构的 HEMT 具有很好的高频、高速性能，但 存在有一个很大的问题，其性能的温度稳定性较差。这与nAlxGa1-xAs中出现的一种陷阱——―DX中心”有关。这种DX 中心能俘获或放出电子，使得 HEMT 中的二维电子气（ 2DEG）浓度将随温度而变化，从而导致HEMT的阈值电压不 稳定，特别是在低温下，由于DX中心存储电子的作用较强， 可造成EMT的I-V特性崩塌。 如何消除DX中心的影响? ——这就发展出所谓pHEMT
一种新的高电子迁移率晶体管I_V解析模型
式中: Vth为阈值电压 ; V ( x ) 为沟道电压; di 为隔离 层厚度 ; d d 为 n- A l G aAs 层厚度 ; d 为二维电子 气厚度 ; 为真空介电常数与半导体材料 A l Ga As 相对介电常数之积.
: V ( 0 ) = Id sR s, V (L g ) = Vds - I dsR d.
2008 年 第 29 卷
9月 第 3期
郑 州大学 学报 ( 工 学版 ) Journa l of Zhengzhou U n ive rs ity ( Eng ineer ing Sc ience)
Sep 2008 V o l 29 N o 3
文章编号 : 1671- 6833( 2008) 03- 0031- 04
一种新的高电子迁移率晶体管 I - V 解析模型
向
摘
Hale Waihona Puke 兵, 侯卫周( 河南大学 物理与 电子学院 , 河南 开封 475001) 要 : 随着通信技术的发展 , H EM T 器件的栅长变得越来越 短 , 而 早期的速度 - 场经验 公式随着 栅长
的不断减小已不能精确地描述这种变化 . 通过对现有的速度 - 场经验公式的计算机模拟仿 真 , 发 现其与 实测的文献数据之间存在一定的误差 , 因 而提出一种改进的速度 - 场经验公式 , 在线性 电荷控制 模型的 基础上 , 考虑沟道长度调制效应 , 解析出一种新的 高电子迁 移率晶 体管 (H EM T ) I - V 模型 . 仿真结 果表 明 , 该模型具有较高的精度 . 关键词 : 高电子迁移率晶体管 ; 模型 ; 二 维电子气 ; 速度 - 场 中图分类号 : TN 386 . 3 文献标识码 : A
2
( 14 )
hbt中砷化镓的作用(一)
hbt中砷化镓的作用(一)HBT中砷化镓的作用1. 引言砷化镓（GaAs）是一种半导体材料，被广泛应用于半导体器件中。
在高电子迁移率晶体管（HBT）中，砷化镓起着关键的作用。
本文将探讨砷化镓在HBT中的功能和应用。
2. HBT简介HBT，即高电子迁移率晶体管，是一种半导体器件，由砷化镓和其他半导体材料构成。
它可以实现高频率和高功率的放大和开关操作。
其中，砷化镓充当了电子注入区和集电区的关键角色。
3. 砷化镓的特性砷化镓具有以下特性，使其成为HBT中的理想材料：•高电子迁移率：砷化镓的电子迁移率远高于硅材料，使其在高频率应用中具有较低的电阻和电容特性。
•半导体能隙：砷化镓的能隙较宽，使得HBT器件能够在高温环境下工作，同时也有助于抑制漏电流。
•高饱和运输速度：砷化镓的载流子饱和速度很高，使其能够实现快速的开关操作。
4. HBT中的砷化镓应用砷化镓在HBT中具有以下应用：基区HBT的基区是由砷化镓材料构成的。
在HBT中，基区起到控制电流的作用。
它具有较高的迁移率和较低的阻抗，能够实现快速的电流开关。
发射区HBT的发射区也是由砷化镓构成的。
发射区是电子注入区，负责注入电子到基区。
砷化镓的高电子迁移率和高饱和运输速度，有助于实现快速的电子注入。
集电区HBT的集电区一般由其他半导体材料构成，但边缘区域往往采用砷化镓。
砷化镓的特性可以提高集电区的电子迁移率和响应速度。
5. 总结砷化镓作为HBT中的关键材料，具有高迁移率、宽能隙和高饱和运输速度的特点。
它在HBT的基区、发射区和边缘区都发挥着重要的作用。
砷化镓的应用使得HBT器件具有高效、高频率和高功率的特性。
随着技术的进步，我们对砷化镓在HBT中的理解还将不断深入，为其应用领域的拓展提供更广阔的前景。
半导体器件物理专题 -HEMT
2.GaN体系HEMT
HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或 InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。 异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并 将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。 高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去 导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电 子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述 来源的电子。AIGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度既取决 于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自 发极化效应的影响。
1.GaAs体系HEMT
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。
2.GaN体系HEMT
制作工序： 首先制造源、漏电极。光刻欧姆接触窗口，利用电 子束蒸发形成多层电极结构Ti／A1，Ti／Au(200／ 1200／400／200h)，剥离工艺形成源、漏接触。使 用快速热退火(RTA)设备，在900℃、30 Sec氩气保护 条件下形成良好的源、漏欧姆接触。然后光刻出需 刻蚀掉的区域，使用反应离子束刻蚀(RIE)设备，通 入BCl，刻蚀台阶。最后再次利用光刻、电子束蒸发 和剥离工艺形成(Ni／Au300／700h)肖特基势垒栅金 属。
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3
Wireless Communication Application Spectrum
InP – HBT, HEMT MEHMT GaAs - HBT, PHEMT GaN - HEMT SiGe – HBT, BiCMOS Si – RF SiC -CMOS Si-LDMOS MESFET 0.8 Hz 2 GHz GaAs
GaN-on-SiC
S G D
Low Capacitance High Efficiency Enables High Efficiency Circuit Techniques Smaller Heat sink Benefits Reduced: (1) size/complexity (2) cooling (3) weight and (4) cost
powe r (Wa tts )
Silicon GaAs HBT
GaN HEMT
10
1
GaAs HEMT
0.1 1 10 frequency (GHz) 100
6
HPPL GaN Product Definitions
Matched Power Transistors (MPT) High power amplifier; 48V-65V, 40-500watts Pulsed; optimized for high power/efficiency, Input/Output matched 25 to 50Ω interface Broadband Power Transistors (BPT) High power amplifier; 48V 30 to 120 watts CW; optimized for high power/efficiency, Input matched no output match Wide-Band Power IC (PIC) High power ‘ gain block’ ; 28V to 48V, 10w to 30w; Wide bandwidth constant gain, 50Ω input matched Unmatched Power Transistor (UPT) High power amplifiers; 10-120 watts CW; No input or output match, tunable bandwidth and high peak efficiency
GaN SiC
High Power High Breakdown Voltage High Power Density Compact HPAs
High Thermal Conductivity
9
RFMD Headquarters Campus Greensboro, NC
Fab#3 GaAs HBT Fab#1 GaAs pHEMT and GaN HEMT
Maximum Power (Watts)
100,000.0 10,000.0 1,000.0 100.0 10.0 1.0 0.1 1
10 Frequency (GHz)
100
8
GaN Value Proposition
Wide Bandwidth High Impedance Multi-band Operation Configurable Radios
h
2 s (V bi V gs ) qN D
，
h(x)
2s[Vbi Vgs V (x)] qND
2
其中 VT Vbi Vp
VT 为阈值电压
，
qN D a Vp 2 s
Vp为夹断电压
22
V（x）是沟道中某一点x相对于源极的电位。该方法称为缓 变沟道近似（GCA）。当漏极电压达到一定值时h（L）=a 时，导电沟道被夹断。 MESFET的I-V基本方程：
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肖特基势垒(如金属栅)下的耗尽层(即空间电荷区)和导电沟道.
金 属 的 功 函 数 ;电 子 从 费 米 能 级 到 金 属 表 面 外 ,即 所 谓 的 真 空 能 级 所 需 要 的 能 量 ( m ) . 从 量 子 力 学 来 看 金 属 的 功 函 数 由 两 部 分 组 成 : (1) 电 子 克 服 周 期 势 场 即 电 子 之 间 的 相 互 作 用 所 需 要 的 能 量 . (2). 克 服 表 面 可 能 存 在 的 表 面 偶 极 层 所 需 要 的 能 量 .同 样 ,半 导 体 的 功 函 数 是 从 费 米 能 级 到 所 谓 的 真 空 能 级 所 需 要 的 能 量 .由 于 金 属 的 功 函 数 大 于 半 导 体 的 功 函 数 ,二 者 存 在 着 电 势 差 .假 如 ,将 二 者 用 导 线 连 接 起 来 ,一 部 分 电 子 将 从 半 导 体 内 流 向 金 属 .这 样 ,靠 近 金 属 一 侧 的 半 导 体 内 出 现 了 电 子 的 耗 尽 ,即 耗 尽 层 ,形 成 了 内 建 电 场 .
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若在金属上外加正电压,耗尽层变窄,电子输运沟道变宽;外加负电压, 耗尽层变宽,电子输运沟道变窄.从而引起了沟道电阻的变化,在外电场不 变的情况下,电流发生了变化,这就是金属上外加电压对沟道电流的调制 作用,.
其中 :
a﹣h（x） ＝ b
（h随x变化）
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3.2 MESFET(金属半导体场效应晶体管）
– Base Station:Cellular and emerging WiMAX
• Required relatively high RF power, LDMOS & III-V FET • 2007 drop SiC device, , displaced by GaN device
• mm-Wave – Dominated by III-V (GaAs PHEMT, InP HEMT, GaAs MHEMT, GaN HEMT, InP HBT ), plus SiGe HBT and RF CMOS (2007) – Low noise amplifier and power devices
• 2007 add end-of-life battery voltage, FET/HBT integration for integrated bias circuit design, on-chip switch integration (for stage by-passing). • Emerging markets driving PA to a cost/performance driven and a cost only driven applications. Cost-only market driving silicon single chip alternatives.
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4 2 g s T S Ph ioew oere r tD icea vlic Le im s i GaN E (7c eV) 1.1 1.4 3.4 g v 10 m/s) 0.7 0.8 2.5 s X -B and MilitaryBroadband Radar Commercial Satcom Transmitters (VSAT – 1 MBPS) 6 MBPS)
对电子器件(载流子输运)的基本要求:
高频,高速: 短沟道,高迁移率. 低噪声:热噪声,低频噪声. 大功率:大电流(高迁移率,高浓度,大栅宽),高电压.
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电子器件的发展趋势: 由同质结器件向异质结量子器件发展. 器件的设计由掺杂工程设计向能带工程设计发展. 横向尺寸纳米化,纵向结构量子化. 电子器件中的载流子输运: 速度--场特性 举例;
RFMD Headquarters
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500GHz SIS接收机前端 -HEMT LNA
移 动 式 亚 毫 米 波 望 远 镜 介 绍 和 未 来 在 羊 八 井 可 能 的 亚 毫 米 波 天 文 观 测
中频范围：
1.1~1.8GHz 增益 ≧ 30 dB 噪声温度 10 K
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High Power Amplifiers
Output power capability vs operating bandwidth
Multiple 3GHz Few Competing Competing Technologies Technologies
.
1000 SiC MESFET 100
E v Pmax F
Why GaN for High Power?
Th eo ret ica lL im it f or Ga NP Th eo ow ret er ica De lL vic im es it f or Ga As Po we rD Commercial ev ice Communications s Base Stations
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两端器件(二极管): 整流管,检波管,混频管,变容管,RTD(共振隧穿二极 管)等. 三端器件(FET,HBT---同质,异质): MESFET: 同质材料(如N-GaAs),由肖特基结和N型欧姆接触组成. HEMT:高电子迁移率晶体管,异质结.由肖特基结和N型欧姆接触组成. HBT:异质结双极晶体管(在同质结双极晶体管的基础上发展起来的).由 掺杂异质结, P型,N型欧姆接触组成.
Applications drive Noise Figure, Power, Power Added Efficiency, Linearity and Cost
2007 Wireless Requirement Tables
• Power Amplifier – Handset : HBT & FET, III-V and Si
Roadmap mm-Wave Tables