HEMT高电子迁移率晶体管

1、化合物半导体高速集成电路第五章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腰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

2、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，因此器件的跨第一代:第二代:第三代:导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。器件300K77KHEMT800054000GaAs MESFET48006200Si MESFET6301500（单位：cm2/V.s）表5-1几种场效应晶体管中电子迁移率对比作为低噪声应用的 HEMT已经历了三代变化，低噪声性能一代比一代优异：AlGaAs/GaAs HEMT , 12GHz 下，NF 为 0.3dB,增益为 16.7dB。AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT （PHEMT 腰高

3、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。InP 基 HEMT , 40GHz 下，NF 为 0.55dB ; 60GHz T, NF 为 0.8dB ; 95GHz T,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 0.5 m） 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

4、位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。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。n Al.tSa-L,二* J-"DLGi.（JOO）sig图5-1 GaAs HEMT基本结构第7页共6页图 5-2 GaAs HEMT 中 2-DEGAlGaAs隔离层制作在低温工作时，由于晶格振动减弱，则n型AlGa

5、As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710nm。(a) HEMT中电离杂质隔离层结构图图5-3(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

6、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 60nmAlGaAs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

7、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 2X 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

8、的薄层，浓度在 1019cm-3以上，厚度为24nm,这层A1GaAs又叫平面掺杂层或 S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Vg控制，故2-DEG的浓度（面密度）将受Vg控制£根据电荷控制模型2-DEG浓度ns与Vg关系为： 贝'q（d + Ad）（褊*Vf ）其中s为AlGaAs的介电常数，d为该层厚度，Vt为HEMT的阈值电压， d为2-DEG 的有效厚度。艳尽MHEMT77K* Fr = 0.5V i?"

9、70nmfi.= R,= 3iirc 章 3u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。增辑于HEIWTm iavr方一 土时.7VMV -*" U 5 VkX 4V一 e- 3V： 一, 二 二sv图5-5 HEMT漏极电流Id和漏极电压 Vds关系5.3腰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 AlxGal xAs,当x&l

10、t;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的沟道材料制成了腰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，成为腰晶层。因为InGaAs薄层是一层腰晶层且在HEMT中起着i GaAs层的作用，所以

11、成为鹰”层，这种HEMT也就相应地成为M HEMT 。(见图5-6)卜(j)PHEMT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 7.4X 1017cm2V-1S-1 ,后者为 4.4X 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

12、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 1 m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：

13、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勺变型。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）至U泄极（drain）的电流，而达到放大的目的。 因该组件具有很高的

14、向应频率（600GHz）且低噪声的优点，因此广泛应用丁无限与 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, 乂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HEMT1、分类按沟道种类分为：N沟道HEMT P沟道一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。HEMTf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（ E）形成的三角形势阱中形成二维电子气（2DE