Yüksek elektron hareketli transistör - High-electron-mobility transistor

GaAs/AlGaAs/InGaAs pHEMT'nin kesiti
Dengede GaAs/AlGaAs heteroeklem tabanlı HEMT'nin bant diyagramı .

Bir yüksek elektron hareketliliği transistörü ( HEMT olarak da bilinir), heteroyapı FET ( HFET ) ya da modülasyon katkılı FET ( MODFET ), a, alan etkili transistor farklı olan iki malzeme arasında bir birleşme içeren bant boşlukları (yani, bir hetero ) halinde katkılı bölge yerine kanal (genellikle bir MOSFET için olduğu gibi ). Yaygın olarak kullanılan bir malzeme kombinasyonu , GaAs ile AlGaAs cihazının uygulamaya bağlı büyük farklılıklar vardır da,. Daha fazla indiyum içeren cihazlar genellikle daha iyi yüksek frekans performansı gösterirken, son yıllarda galyum nitrür HEMT'ler yüksek güç performanslarından dolayı dikkat çekmiştir. Diğer FET'ler gibi , HEMT'ler de entegre devrelerde dijital açma-kapama anahtarları olarak kullanılır. FET'ler, kontrol sinyali olarak küçük bir voltaj kullanarak büyük miktarlarda akım için amplifikatörler olarak da kullanılabilir. Bu kullanımların her ikisi de FET'in benzersiz akım-voltaj özellikleri ile mümkün olmaktadır . HEMT transistörleri, sıradan transistörlerden daha yüksek frekanslarda, milimetre dalga frekanslarına kadar çalışabilir ve cep telefonları , uydu televizyon alıcıları, voltaj dönüştürücüler ve radar ekipmanı gibi yüksek frekanslı ürünlerde kullanılır . Uydu alıcılarında, düşük güçlü amplifikatörlerde ve savunma sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Avantajlar

HEMT'lerin avantajları, yüksek kazanıma sahip olmalarıdır, bu da onları amplifikatör olarak kullanışlı kılar; MODFET'lerdeki ana yük taşıyıcılarının çoğunluk taşıyıcıları olması ve azınlık taşıyıcılarının önemli ölçüde dahil olmaması nedeniyle elde edilen yüksek anahtarlama hızları; ve son derece düşük gürültü değerleri çünkü bu cihazlardaki akım değişimi diğerlerine göre düşük.


Tarih

Yüksek elektron hareketli transistörün (HEMT) icadı genellikle Japonya'da Fujitsu'da çalışırken fizikçi Takashi Mimura'ya (三村 高志) atfedilir . HEMT'nin temeli, Mimura'nın 1977'den beri standart silikon (Si) MOSFET'e bir alternatif olarak araştırdığı GaAs (galyum arsenit) MOSFET'tir (metal oksit-yarı iletken alan etkili transistör) . 1979, o bir modüle-katkılı heteroeklem hakkında okuyunca superorgü geliştirilen Bell Labs Ray derecik tarafından ABD'de, Arthur Gossard ve Horst Störmer bir dosyalanmış patent Mimura Ağustos 1979'da bir HEMT için patent açıklama açılan Nisan 1978 yılında, ve daha sonra o yıl bir patent . Bir HEMT cihazının ilk gösterimi olan D-HEMT, Mayıs 1980'de Mimura ve Satoshi Hiyamizu tarafından sunuldu ve daha sonra Ağustos 1980'de ilk E-HEMT'yi sergilediler.

Bağımsız olarak, Daniel Delagebeaudeuf ve Trong Linh Nguyen, Fransa'da Thomson-CSF'de çalışırken, Mart 1979'da benzer türde bir alan etkili transistör için patent başvurusunda bulundular . Ayrıca Bell Labs patentini bir etki olarak gösteriyor. "Ters çevrilmiş" bir HEMT'nin ilk gösterimi, Ağustos 1980'de Delagebeaudeuf ve Nuyen tarafından sunuldu.

GaN tabanlı bir HEMT'den en erken bahsedenlerden biri , Khan ve arkadaşlarının 1993 tarihli Applied Physics Letters makalesindedir . Daha sonra, 2004 yılında, PD Ye ve B. Yang ve diğerleri , bir GaN (galyum nitrür) metal-oksit-yarı iletken HEMT'yi (MOS-HEMT) gösterdi. Bu kullanılan atom, tabaka (ALD) alüminyum oksit (Al 2 O 3 ) filmin hem olarak dielektrik kapı ve için yüzey pasıvasyonuna .

kavramsal analiz

HEMT'ler heteroeklemlerdir . Bu, kullanılan yarı iletkenlerin farklı bant boşluklarına sahip olduğu anlamına gelir . Örneğin, silikonun bant aralığı 1,1 elektron volt (eV), germanyum ise 0,67 eV bant aralığına sahiptir. Bir heteroeklem oluşturulduğunda, sürekli bir seviye oluşturmak için malzeme boyunca iletim bandı ve değerlik bandı bükülmelidir .

HEMT'lerin olağanüstü taşıyıcı hareketliliği ve anahtarlama hızı aşağıdaki koşullardan gelir: Geniş bant elemanı donör atomlarla katkılıdır ; bu nedenle iletim bandında fazla elektrona sahiptir . Bu elektronlar, daha düşük enerjili durumların mevcudiyeti nedeniyle bitişik dar bantlı malzemenin iletim bandına yayılacaktır. Elektronların hareketi, potansiyelde bir değişikliğe ve dolayısıyla malzemeler arasında bir elektrik alanına neden olacaktır. Elektrik alanı elektronları geniş bant elemanının iletim bandına geri itecektir. Difüzyon işlemi, elektron difüzyonu ve elektron sürüklenmesi birbirini dengeleyene kadar devam eder ve dengede bir pn bağlantısına benzer bir bağlantı oluşturur . Katkısız dar bant boşluk malzemesinin artık fazla çoğunluk yük taşıyıcılarına sahip olduğuna dikkat edin. Yük taşıyıcıların çoğunluk taşıyıcıları olması, yüksek anahtarlama hızları sağlar ve düşük bant aralıklı yarı iletkenin katkısız olması, saçılmaya neden olacak donör atomların olmadığı ve dolayısıyla yüksek hareketlilik sağladığı anlamına gelir.

HEMT'lerin önemli bir yönü, iletim ve değerlik bantları boyunca bant süreksizliklerinin ayrı ayrı değiştirilebilmesidir. Bu, cihazın içindeki ve dışındaki taşıyıcı türlerinin kontrol edilmesini sağlar. HEMT'ler elektronların ana taşıyıcılar olmasını gerektirdiğinden, malzemelerden birine dereceli bir doping uygulanabilir, böylece iletim bandı süreksizliği küçülür ve değerlik bandı süreksizliği aynı kalır. Taşıyıcıların bu difüzyonu, dar bant boşluklu malzeme içindeki iki bölgenin sınırı boyunca elektronların birikmesine yol açar. Elektronların birikmesi bu cihazlarda çok yüksek bir akıma yol açar. Biriken elektronlar ayrıca 2DEG veya iki boyutlu elektron gazı olarak da bilinir .

" Modülasyon dopingi " terimi, dopantların uzamsal olarak akım taşıyan elektronlardan farklı bir bölgede olduğu gerçeğini ifade eder. Bu teknik Horst Störmer tarafından Bell Laboratuarlarında icat edildi .

Açıklama

İletime izin vermek için, yarı iletkenler ya hareketli elektronlar ya da delikler veren safsızlıklarla katkılanır . Bununla birlikte, bu elektronlar, ilk etapta onları oluşturmak için kullanılan safsızlıklar (dopantlar) ile çarpışmalar yoluyla yavaşlar. HEMT'ler, yüksek oranda katkılı geniş bant aralıklı n-tipi donör tedarik katmanının (örneğimizde AlGaAs) ve katkılı safsızlıkları olmayan katkılı olmayan dar bant aralıklı kanal katmanının (GaAs) heterojunction kullanılarak üretilen yüksek hareketli elektronların kullanılması yoluyla bunu önler. bu durumda).

İnce n-tipi AlGaAs katmanında üretilen elektronlar, tükenmiş bir AlGaAs katmanı oluşturmak için tamamen GaAs katmanına düşer, çünkü farklı bant aralığı malzemeleri tarafından oluşturulan heteroeklem , GaAs üzerindeki iletim bandında bir kuantum kuyusu (dik bir kanyon) oluşturur. GaAs katmanının katkısız olduğu ve kaçamayacakları için elektronların herhangi bir kirlilikle çarpışmadan hızlı bir şekilde hareket edebildiği taraf. Bunun etkisi, kanala çok düşük direnç (veya başka bir deyişle, "yüksek elektron hareketliliği") veren, çok yüksek konsantrasyona sahip, oldukça hareketli, iletken elektronlardan oluşan çok ince bir katman oluşturmaktır .

elektrostatik mekanizma

GaAs'ın elektron ilgisi daha yüksek olduğundan , AlGaAs katmanındaki serbest elektronlar , ara yüzün 100 angström (10 nm ) içinde iki boyutlu yüksek hareketli elektron gazı oluşturdukları katkısız GaAs katmanına aktarılır . HEMT'nin n-tipi AlGaAs katmanı, iki tükenme mekanizmasıyla tamamen tükenir:

  • Serbest elektronların yüzey durumları tarafından yakalanması, yüzey tükenmesine neden olur.
  • Elektronların katkısız GaAs katmanına transferi, arayüz tükenmesine neden olur.

Fermi düzeyi kapı metalden 1.2 çivileme noktası eşleştirilir eV iletim bandı altına. AlGaAs katman kalınlığının azalmasıyla, AlGaAs katmanındaki donörler tarafından sağlanan elektronlar katmanı sabitlemek için yetersizdir. Sonuç olarak, bant bükülmesi yukarı doğru hareket eder ve iki boyutlu elektron gazı ortaya çıkmaz. Kapıya eşik voltajından daha büyük bir pozitif voltaj uygulandığında, elektronlar arayüzde birikir ve iki boyutlu bir elektron gazı oluşturur.

imalat

MODFET'ler, gergin bir SiGe katmanının epitaksiyel büyümesiyle üretilebilir . Gerilmiş katmanda, germanyum içeriği doğrusal olarak yaklaşık % 40-50'ye yükselir. Bu germanyum konsantrasyonu, yüksek iletim bandı kayması ve çok hareketli yük taşıyıcılarının yüksek yoğunluğu ile bir kuantum kuyusu yapısının oluşmasına izin verir . Sonuç, ultra yüksek anahtarlama hızlarına ve düşük gürültüye sahip bir FET'tir. SiGe yerine InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN ve diğer bileşikler de kullanılır. InP ve GaN, daha iyi gürültü ve güç oranları nedeniyle MODFET'lerde temel malzeme olarak SiGe'nin yerini almaya başlıyor.

HEMT'lerin sürümleri

Büyüme teknolojisi ile: pHEMT ve mHEMT

İdeal olarak, bir heteroeklem için kullanılan iki farklı malzeme aynı kafes sabitine (atomlar arasındaki boşluk) sahip olacaktır. Pratikte, kafes sabitleri tipik olarak biraz farklıdır (örneğin, GaAs üzerindeki AlGaAs), kristal kusurlarına neden olur. Bir benzetme olarak, biraz farklı aralıklarla iki plastik tarağı bir araya getirdiğinizi hayal edin. Düzenli aralıklarla iki dişin bir araya toplandığını göreceksiniz. Yarı iletkenlerde bu süreksizlikler derin seviye tuzakları oluşturur ve cihaz performansını büyük ölçüde düşürür.

Bu kuralın ihlal edildiği bir HEMT, pHEMT veya psödomorfik HEMT olarak adlandırılır . Bu, malzemelerden birinin son derece ince bir tabakası kullanılarak elde edilir - o kadar ince ki kristal kafes basitçe diğer malzemeye uyacak şekilde gerilir. Bu teknik, transistörlerin, aksi takdirde mümkün olandan daha büyük bant aralığı farklılıklarına sahip olmasına izin vererek, onlara daha iyi performans sağlar.

Farklı kafes sabitlerine sahip malzemeleri kullanmanın bir başka yolu, aralarına bir tampon katman yerleştirmektir. Bu, pHEMT'nin bir ilerlemesi olan mHEMT veya metamorfik HEMT'de yapılır . Tampon katmanı, hem GaAs substratının hem de GaInAs kanalının kafes sabitiyle eşleşebilmesi için derecelendirilmiş indiyum konsantrasyonu ile AlInAs'tan yapılmıştır . Bu, kanaldaki pratik olarak herhangi bir İndiyum konsantrasyonunun gerçekleştirilebilmesi avantajını getirir, böylece cihazlar farklı uygulamalar için optimize edilebilir (düşük indiyum konsantrasyonu düşük gürültü sağlar ; yüksek indiyum konsantrasyonu yüksek kazanç sağlar ).

Elektriksel davranışa göre: eHEMT ve dHEMT

AlGaAs / GaAs gibi arayüzey net polarizasyon yükü olmayan yarı iletken hetero-arayüzlerden yapılmış HEMT'ler, elektronları kapıya doğru çekmek için AlGaAs bariyerinde pozitif kapı voltajı veya uygun donör-doping gerektirir, bu da 2D elektron gazını oluşturur ve iletimini sağlar. elektron akımları. Bu davranış, geliştirme modunda yaygın olarak kullanılan alan etkili transistörlerinkine benzer ve böyle bir cihaza geliştirme HEMT veya eHEMT adı verilir .

AlGaN / GaN'den bir HEMT yapıldığında , daha yüksek güç yoğunluğu ve arıza gerilimi elde edilebilir. Nitrürler ayrıca daha düşük simetriye sahip farklı kristal yapıya, yani yerleşik elektriksel polarizasyona sahip wurtzite kristal yapısına sahiptir. Bu polarizasyon, GaN kanal katmanı ve AlGaN bariyer katmanı arasında farklılık gösterdiğinden, 0.01-0.03 C/m mertebesinde bir telafi edilmemiş yük tabakası oluşur. Tipik olarak epitaksiyel büyüme için kullanılan kristal oryantasyonu ("galyum yüzlü") ve fabrikasyon için uygun cihaz geometrisi (kapı üstte) nedeniyle, bu şarj tabakası pozitiftir ve doping olmasa bile 2D elektron gazının oluşmasına neden olur. . Bu tür bir transistör normalde açıktır ve yalnızca kapı negatif yönde eğimliyse kapanacaktır - bu nedenle bu tür HEMT, tükenme HEMT veya dHEMT olarak bilinir . Bariyerin alıcılarla (örneğin Mg ) yeterli dopingi ile , daha alışılmış eHEMT işlemini geri yüklemek için yerleşik yük telafi edilebilir , ancak nitrürlerin yüksek yoğunluklu p-dopingi, kanala katkı difüzyonu nedeniyle teknolojik olarak zordur.

indüklenmiş HEMT

Modülasyon katkılı bir HEMT'nin aksine, indüklenmiş bir yüksek elektron hareketliliği transistörü, yük taşıyıcılar, dopantlar tarafından yaratılmak yerine 2DEG düzlemine "indüklendiğinden", bir üst kapı ile farklı elektron yoğunluklarını ayarlamak için esneklik sağlar . Katkılı bir katmanın olmaması, modülasyon katkılı muadilleriyle karşılaştırıldığında elektron hareketliliğini önemli ölçüde artırır. Bu temizlik seviyesi, kuantum kaos çalışmaları veya ultra kararlı ve ultra hassas elektronik cihazlarda uygulamalar için Kuantum Bilardo alanında araştırma yapma fırsatları sağlar .

Uygulamalar

Uygulamalar (örneğin, GaAs üzerindeki AlGaAs için), MESFET'lerinkine benzerdirmikrodalga ve milimetre dalga iletişimi , görüntüleme, radar ve radyo astronomi – yüksek frekanslarda yüksek kazanç ve düşük gürültünün gerekli olduğu herhangi bir uygulama. HEMT'ler, 600 GHz'den büyük frekanslarda akım kazancı ve 1 THz'den büyük frekanslarda güç kazancı göstermiştir. ( Heterojunction bipolar transistörler , Nisan 2005'te 600 GHz üzerindeki mevcut kazanç frekanslarında gösterildi.) Dünya çapında çok sayıda şirket HEMT tabanlı cihazlar geliştirmekte ve üretmektedir. Bunlar ayrık transistörler olabilir, ancak daha çok 'monolitik mikrodalga entegre devre' ( MMIC ) biçimindedir . HEMT'ler, cep telefonları ve DBS alıcılarından radar gibi elektronik harp sistemlerine ve radyo astronomisine kadar birçok ekipman türünde bulunur .

Ayrıca, silikon substratlar üzerindeki galyum nitrür HEMT'ler, voltaj dönüştürücü uygulamaları için güç anahtarlama transistörleri olarak kullanılır. Silikon güç transistörlerine kıyasla galyum nitrür HEMT'ler, düşük durum direncine ve geniş bant aralığı özelliklerinden dolayı düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir. Galyum nitrür gücü HEMT'leri ticari olarak 200 V-600 V voltajlara kadar mevcuttur.

Ayrıca bakınız

Giga hertz uygulamaları için heterojunction bipolar transistörler kullanılabilir.

Referanslar

  1. ^ a b c d Mimura, Takashi (Mart 2002). "Yüksek elektron hareketlilik transistörünün (HEMT) erken tarihi". Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri Üzerine IEEE İşlemleri . 50 (3): 780-782. doi : 10.1109/22.989961 .
  2. ^ US 4163237 , Ray Dingle, Arthur Gossard ve Horst Störmer, "Modüle edilmiş doping kullanan yüksek hareketli çok katmanlı heterojunction cihazları" 
  3. ^ Mimura, Takashi (8 Aralık 2005). "Yüksek Elektron Mobilite Transistörünün Geliştirilmesi" (PDF) . Japon Uygulamalı Fizik Dergisi . 44 (12R): 8263-8268. doi : 10.1143/JJAP.44.8263 . ISSN  1347-4065 . S2CID  3112776 . Arşivlenmiş orijinal (PDF) 8 Mart 2019 tarihinde.
  4. ^ US 4471366 , Daniel Delagebeaudeuf ve Trong L. Nuyen, "Yüksek kesme frekanslı alan etkili transistör ve aynısını oluşturma işlemi"  ( Google Patentleri )
  5. ^ [1]
  6. ^ Evet , PD; Yang, B.; Ng, KK; Bude, J.; Wilk, GD; Halder, S.; Hwang, JCM (1 Eylül 2004). "GATE DİELEKTRİK VE YÜZEY PASİVASYONU OLARAK ATOMİK KATMAN AYIRMA Al2O3 KULLANIMI GaN MOS-HEMT". Uluslararası Yüksek Hızlı Elektronik ve Sistemler Dergisi . 14 (3): 791–796. doi : 10.1142/S0129156404002843 . ISSN  0129-1564 .
  7. ^ "İndiyum Fosfit: Frekans ve entegrasyon sınırlarını aşmak. Semiconductor TODAY Compounds&AdvancedSilicon • Cilt 1 • Sayı 3 • Eylül 2006" (PDF) .
  8. ^ "Northrop Grumman terahertz IC amplifikatörü ile rekor kırdı" . www.semiconductor-today.com .

Dış bağlantılar