Жоғары электронды қозғалмалы транзистор - High-electron-mobility transistor

GaAs / AlGaAs / InGaAs pHEMT көлденең қимасы
Жолақ диаграммасы GaAs / AlGaAs гетерохункция тепе-теңдік жағдайында HEMT-ге негізделген.

A жоғары электронды қозғалмалы транзистор (ХЕМТ) деп те аталады FET гетероқұрылымы (HFET) немесе модуляция қосылған FET (MODFET), Бұл өрісті транзистор екі материалдың арасындағы айырмашылықты әр түрлі жолақ аралықтары (яғни а гетерохункция ) допингпен өңделген аймақтың орнына канал ретінде (а MOSFET ). Әдетте қолданылатын материалдардың тіркесімі болып табылады GaAs бірге AlGaAs Дегенмен, құрылғының қолданылуына байланысты кең вариация бар. Қосымша құрылғылар индий әдетте жоғары жиілікті жоғары өнімділікті көрсетеді, ал соңғы жылдары галлий нитриди HEMT жоғары қуаттылығымен ерекшеленді. Басқалар сияқты FETs, HEMT пайдаланылады интегралды микросхемалар өшірудің цифрлық ажыратқыштары ретінде. FET-терді басқару сигналы ретінде кіші кернеуді қолданып, токтың көп мөлшерін күшейткіш ретінде пайдалануға болады. Бұл екі қолдану да FET-тің бірегейі арқасында мүмкін болды ток-кернеу сипаттамалары. HEMT транзисторлары қарапайым транзисторларға қарағанда жоғары жиілікте жұмыс істей алады миллиметрлік толқын сияқты жоғары жиілікті өнімдерде қолданылады ұялы телефондар, спутниктік теледидар қабылдағыштар, кернеу түрлендіргіштері, және радиолокация жабдық. Олар спутниктік қабылдағыштарда, төмен қуатты күшейткіштерде және қорғаныс өнеркәсібінде кеңінен қолданылады.

Артықшылықтары

HEMT-дің артықшылығы - олардың жоғары пайдасы бар, бұл оларды күшейткіш ретінде пайдалы етеді; қосылудың жоғары жылдамдығы, бұған қол жеткізіледі, себебі MODFET-тегі негізгі заряд тасымалдаушылар көпшілік тасымалдаушылар болып табылады, ал азшылық тасымалдаушылар айтарлықтай қатыспайды; және шудың мәні өте төмен, себебі бұл құрылғылардағы ағымдық ауытқу басқалармен салыстырғанда төмен.

Тарих

Жоғары электронды қозғалмалы транзистордың (HEMT) өнертабысы әдетте физик Такаши Мимураға (三 村 高志) жатады, Фудзитсу Жапонияда.[1] HEMT үшін негіз болды GaAs (галлий арсениди) MOSFET Мимура стандартқа балама ретінде зерттеген (металл оксиді-жартылай өткізгіш өрісті транзистор) кремний (Si) MOSFET 1977 жылдан бастап. Ол HEMT-ті 1979 жылдың көктемінде, модуляцияланған-қоспаланған гетероункция туралы оқығанда ойластырды. асқақ нақыш дамыған Bell Labs Құрама Штаттарда,[1] Рэй Динглдің, Артур Госсард және Хорст Штормер кім берді патент 1978 жылдың сәуірінде.[2] Мимура 1979 жылдың тамызында HEMT патентінің ашылуын мәлімдеді, содан кейін а патент сол жылы.[3] HEMT құрылғысының алғашқы демонстрациясы D-HEMT Мимура мен Сатоси Хиямизу 1980 жылы мамырда ұсынды, содан кейін олар 1980 жылдың тамызында алғашқы E-HEMT-ді көрсетті.[1]

Даниэль Делажебодеф және Тронг Линь Нуен, дербес жұмыс істеген кезде Томсон-CSF Францияда далалық эффектті транзистордың ұқсас түріне 1979 жылы наурызда патент берді. Сонымен қатар Bell Labs патентін ықпал ретінде атайды.[4] «Төңкерілген» HEMT-тің алғашқы демонстрациясын 1980 жылдың тамызында Делажебоудеф пен Нуен ұсынды.[1]

GaN негізіндегі HEMT туралы алғашқы ескертулердің бірі 1993 ж Қолданбалы физика хаттары ханның мақаласы т.б.[5] Кейінірек, 2004 жылы П.Д. Е және Б.Янг т.б көрсетті ГаН (галлий нитриди) металл-оксид-жартылай өткізгіш HEMT (MOS-HEMT). Бұл қолданылған атом қабатын тұндыру (ALD) алюминий оксиді (Ал2O3) фильм ретінде де қақпа диэлектрик және үшін беткі пассивация.[6]

Тұжырымдамалық талдау

ХЕМТ-лар гетерожүйіндер. Бұл қолданылатын жартылай өткізгіштердің ұқсас емес екенін білдіреді жолақ аралықтары. Мысалы, кремнийдің өткізу қабілеті 1,1 құрайды электронды вольт (eV), ал германий 0,67 эВ жолақ саңылауына ие. Гетерохункция пайда болған кезде өткізгіштік жолақ және валенттік диапазон үздіксіз деңгей қалыптастыру үшін бүкіл материал бүгілуі керек.

HEMTs ерекше тасымалдаушының ұтқырлығы және ауысу жылдамдығы келесі жағдайлардан туындайды: кең жолақты элемент донорлық атомдармен қосылады; осылайша оның артықшылығы бар электрондар оның өткізгіштік жолағында. Бұл электрондар энергиясы төмен күйлердің болуына байланысты іргелес тар жолақты материалдың өткізгіштік аймағына таралады. Электрондардың қозғалысы потенциалдың өзгеруіне әкеледі, осылайша материалдар арасындағы электр өрісі пайда болады. Электр өрісі электрондарды кең жолақты элементтің өткізгіштік аймағына итермелейді. Диффузия процесі электрон диффузиясы мен электрон дрейфі бір-бірін тепе-теңдікке дейін жалғасып, тепе-теңдік жағдайында а p-n түйісуі. Тар жолақты саңылау материалында көбінесе заряд тасымалдаушылардың артық мөлшері бар екеніне назар аударыңыз. Заряд тасығыштардың көпшілік тасымалдаушылары екендігі жоғары ауысу жылдамдығын береді, ал төменгі жолақты жартылай өткізгіштің шешілмегендігі шашыранды тудыратын донор атомдарының жоқтығын білдіреді және осылайша жоғары қозғалғыштықты береді.

HEMT-тің маңызды аспектісі - өткізгіштік пен валенттік диапазондағы үзілістерді бөлек өзгертуге болады. Бұл құрылғыға кіретін және одан шығатын тасымалдаушылардың түрін басқаруға мүмкіндік береді. HEMT электрондары негізгі тасымалдаушы болуды талап ететіндіктен, материалдардың бірінде дәрежелі допинг қолдануға болады, осылайша өткізгіштік диапазонның үзілуін кішірейтеді және валенттік диапазонның үзілуін бірдей сақтайды. Тасымалдаушылардың бұл диффузиясы екі аймақ шекарасы бойынша тар жолақты саңылау материалы ішінде электрондардың жиналуына әкеледі. Электрондардың жинақталуы осы құрылғыларда өте үлкен токқа әкеледі. Жиналған электрондар сонымен бірге белгілі 2DEG немесе екі өлшемді электронды газ.

Термин »допингті модуляциялау «допандар кеңістіктегі ток өткізетін электрондардан басқа аймақта орналасқандығын айтады. Бұл техниканы ойлап тапқан Хорст Штормер кезінде Bell Labs.

Түсіндіру

Өткізгіштікке мүмкіндік беру үшін жартылай өткізгіштерге қоспалар қосылады, олар қозғалмалы электрондарды немесе береді тесіктер. Алайда, бұл электрондар, ең алдымен, оларды генерациялау үшін қолданылатын қоспалармен (допандармен) соқтығысу арқылы баяулайды. HEMT мұны жоғары допингтелген кең жолақты n типті донорлық жеткізілім қабаты (біздің мысалда AlGaAs) пен қоспасы жоқ қоспасыз тар жолақты канал қабаты гетероекциясы арқылы пайда болатын жоғары қозғалмалы электрондарды қолдану арқылы болдырмайды. Бұл жағдайда).

Жіңішке n-типті AlGaAs қабатында пайда болған электрондар азайтылған AlGaAs қабатын қалыптастыру үшін GaAs қабатына толығымен түсіп кетеді, өйткені әр түрлі диапазонды материалдар құрған гетеро-функция а кванттық жақсы (тік каньон) GaAs жағындағы электрондар ешқандай қоспалармен соқтығыспай тез қозғалуы мүмкін GaAs жағында, өйткені GaAs қабаты жабылмаған және олар одан шыға алмайды. Мұның әсері каналды өте төмен беріп, өте жоғары концентрациясы бар өте қозғалмалы электрондардың өте жұқа қабатын жасау болып табылады қарсылық (немесе басқаша айтқанда, «жоғары электронды ұтқырлық»).

Электростатикалық механизм

GaAs жоғары болғандықтан электронға жақындық, AlGaAs қабатындағы бос электрондар жабылмаған GaAs қабатына ауысады, сонда олар екі өлшемді жоғары қозғалмалы электронды газды құрайды 100 ångström (10 нм ) интерфейс. HEMT-тің n-типті AlGaAs қабаты екі сарқылу механизмі арқылы толығымен таусылады:

  • Бос электрондарды беттік күйлер бойынша ұстау беттің сарқылуын тудырады.
  • Электрондардың жабылмаған GaAs қабатына өтуі интерфейстің сарқылуын тудырады.

The Ферми деңгейі қақпа металының бекіту нүктесіне сәйкес келеді, ол 1,2 құрайды eV өткізгіш жолағынан төмен. AlGaAs қабатының қалыңдығы төмендеген кезде, AlGaAs қабатындағы донорлар беретін электрондар қабатты бекіту үшін жеткіліксіз. Нәтижесінде жолақты иілу жоғары қарай қозғалады және екі өлшемді электрондар газы пайда болмайды. Шекті деңгейден жоғары оң кернеу қақпаға түскенде, электрондар интерфейсте жиналып, екі өлшемді электронды газды құрайды.

Өндіріс

MODFET-ті өндіруге болады эпитаксиальды өсу шиеленісті SiGe қабат. Сығылған қабатта германий мазмұны сызықтық түрде 40-50% дейін артады. Бұл германий концентрациясы а түзілуіне мүмкіндік береді кванттық жақсы құрылымы жоғары өткізгіш диапазоны офсеттік және өте мобильді тығыздығы жоғары заряд тасымалдаушылар. Ақырғы нәтиже - өте жоғары коммутация жылдамдығымен және төмен шуылмен FET. InGaAs /AlGaAs, AlGaN /InGaN, және SiGe орнына басқа қосылыстар да қолданылады. InP және GaN шу мен қуат арақатынасының жақсырақ болуына байланысты SiFe-ді MODFET-терде негізгі материал ретінде алмастыра бастайды.

HEMT нұсқалары

Өсу технологиясы бойынша: pHEMT және mHEMT

Ең дұрысы, гетеродерек үшін қолданылатын екі түрлі материал бірдей болады тор тұрақты (атомдар арасындағы қашықтық). Іс жүзінде, тордың тұрақтылары, әдетте, сәл өзгеше (мысалы, GaAs-тағы AlGaAs), нәтижесінде кристалдық ақаулар пайда болады. Ұқсастық ретінде сәл өзгешелігі бар екі пластикалық тарақты біріктіріп елестетіп көріңіз. Белгілі бір уақыт аралығында сіз екі тістің бір-біріне жабысып қалғанын көресіз. Жартылай өткізгіштерде бұл үзілістер пайда болады терең деңгейдегі тұзақтар және құрылғының өнімділігін айтарлықтай төмендетеді.

Осы ереже бұзылған HEMT а деп аталады pHEMT немесе псевдоморфты ХЕМТ. Бұған материалдардың бірінің өте жұқа қабатын қолдану арқылы қол жеткізіледі - соншалықты жұқа, кристалды тор басқа материалға жай созылатындай етіп созылады. Бұл техника үлкенірек транзисторларды салуға мүмкіндік береді байланыстыру мүмкін емес айырмашылықтар, оларға жақсы өнімділік береді.[7]

Әр түрлі торлы тұрақты материалдарды пайдаланудың тағы бір тәсілі - олардың арасында буферлік қабатты орналастыру. Бұл mHEMT немесе метаморфикалық HEMT, pHEMT жоғарылауы. Буферлік қабат жасалған AlInAs, GaAs субстратының және тордың константасына сәйкес болатындай етіп индий концентрациясы бойынша бағаланады. GaInAs арна. Бұл арнадағы кез-келген индий концентрациясын жүзеге асыруға болатын артықшылық әкеледі, сондықтан құрылғылар әр түрлі қосымшалар үшін оңтайландырылуы мүмкін (индий концентрациясы төмен болады шу; жоғары индий концентрациясы жоғары береді пайда ).[дәйексөз қажет ]

Электрлік мінез-құлық бойынша: eHEMT және dHEMT

AlGaAs / GaAs сияқты аралық торлық поляризация заряды жоқ жартылай өткізгіш гетеро-интерфейстерден жасалған HEMT оң электронды кернеуді немесе AlGaAs тосқауылында тиісті донорлық-допингті қажет етеді, бұл электрондарды қақпаға қарай тартады, бұл 2D электронды газды құрайды және өткізгіштікке мүмкіндік береді. электронды токтар. Бұл мінез-құлық күшейту режимінде кеңінен қолданылатын өрістік транзисторларға ұқсас және мұндай құрылғы жақсарту HEMT деп аталады немесе eHEMT.

HEMT құрылғысы қашан жасалады AlGaN /ГаН, жоғары қуат тығыздығы мен кернеудің бұзылуына қол жеткізуге болады. Нитридтер төменгі симметриялы әр түрлі кристалды құрылымға ие, атап айтқанда вурцит электр поляризациясы бар. Бұл поляризацияның арасындағы айырмашылық болғандықтан ГаН арна қабаты және AlGaN тосқауыл қабаты, 0,01-0,03 С / м ретіндегі өтелмеген заряд парағы қалыптасады Әдетте эпитаксиалды өсу үшін қолданылатын кристалды бағдар («галлий тәрізді») және құрылғы геометриясы үшін қолайлы (жоғарыдан қақпа), бұл заряд парағы оң болып, допинг болмаса да 2D электронды газдың пайда болуына себеп болады . Мұндай транзистор әдетте қосулы және тек қақпа теріс жақталған болса ғана сөнеді - осылайша HEMT типі белгілі HEMT сарқылуы, немесе dHEMT. Акцепторлармен тосқауылдың жеткілікті допингі арқылы (мысалы, Mg ), әдеттегідей қалпына келтіру үшін кірістірілген төлемнің орнын толтыруға болады eHEMT жұмыс, алайда нитридтердің р-допингінің тығыздығы арнаға допантты диффузияға байланысты технологиялық тұрғыдан күрделі.

HEMT индукциясы

Модуляцияланған HEMT-ден айырмашылығы, индукцияланған жоғары электронды қозғалғыштық транзисторы әр түрлі электрондардың тығыздықтарын жоғарғы қақпамен реттеуге икемділікті қамтамасыз етеді, өйткені заряд тасымалдаушылар «индукцияланған». 2DEG допандар жасағаннан гөрі ұшақ. Допингтік қабаттың болмауы олардың модуляцияланған қоспаларымен салыстырғанда электрондардың қозғалғыштығын едәуір арттырады, бұл тазалық деңгейі осы салада зерттеу жүргізуге мүмкіндік береді. Кванттық бильярд үшін кванттық хаос ультра тұрақты және ультра сезімтал электрондық құрылғылардағы зерттеулер немесе қосымшалар.[дәйексөз қажет ]

Қолданбалар

Қолданбалар (мысалы, GaAs-тағы AlGaAs үшін) бағдарламаларға ұқсас MESFETмикротолқынды пеш және миллиметрлік толқын байланыс, бейнелеу, радиолокация, және радио астрономия - жоғары жиіліктегі жоғары күш пен аз шу қажет болатын кез-келген қосымша. HEMT-тер 600 ГГц-ден жоғары жиіліктерге және 1 THz-ден жоғары жиіліктерге қуат күштерін көрсетті.[8] (Бетеролярлы транзисторлар 2005 ж. сәуірінде 600 ГГц-тен жоғары жиілікте көрсетілген.) Әлемнің көптеген компаниялары HEMT негізіндегі құрылғыларды жасап шығарады. Бұл дискретті транзисторлар болуы мүмкін, бірақ көбінесе «монолитті микротолқынды интегралды схема» түрінде болады (MMIC ). HEMT ұялы телефоннан бастап көптеген жабдықтарда кездеседі DBS қабылдағыштар электронды соғыс сияқты жүйелер радиолокация және үшін радио астрономия.

Сонымен қатар, кремний субстраттарындағы галлий нитридті HEMT-тер кернеу түрлендіргіштің қосымшалары үшін қуатты ауыстырып қосатын транзисторлар ретінде қолданылады. Кремнийлі күштік транзисторлармен салыстырғанда галлий нитридиді HEMT күйге төзімділігі төмен және өткізгіштік қасиетінің кең болуына байланысты коммутация шығындары аз. Галлий нитридінің қуаты HEMT 200 В-600 В кернеуге дейін коммерциялық қол жетімді.

Сондай-ақ қараңыз

Гетеро-функционалды биполярлық транзисторларды гига-герц қосымшалары үшін қолдануға болады.

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б в г. Мимура, Такаши (наурыз 2002). «Жоғары электронды қозғалғыштық транзисторының (HEMT) алғашқы тарихы». IEEE транзакциялары және микротолқындар теориясы мен әдістері. 50 (3): 780–782. дои:10.1109/22.989961.
  2. ^ АҚШ 4163237, Рэй Дингл, Артур Госсард және Хорст Штормер, «Модуляцияланған допингті қолданатын жоғары қозғалмалы көп қабатты гетерохункциялы құрылғылар» 
  3. ^ Мимура, Такаши (8 желтоқсан 2005). «Жоғары электронды қозғалмалы транзисторды дамыту» (PDF). Жапондық қолданбалы физика журналы. 44 (12R): 8263–8268. дои:10.1143 / JJAP.44.8263. ISSN  1347-4065. S2CID  3112776.
  4. ^ АҚШ 4471366, Даниэль Делажебодеф және Тронг Л.Нуен, «Жоғары жиіліктегі өрісті транзистор және оны қалыптастыру процесі»  (Google патенттері )
  5. ^ [1]
  6. ^ Е, П. Д .; Янг Б .; Нг, К. К .; Буде Дж .; Уилк, Г.Д .; Хальдер, С .; Hwang, J. C. M. (1 қыркүйек 2004). «GaN MOS-HEMT АТОМ ҚАБАТЫНЫҢ АЛОЗИОНИЯСЫН Al2O3-ті ЭЛЕКТРОЛЫҚ ЖӘНЕ БЕТТІҢ ПАСИВАЦИЯСЫ ДӘРЕСІН ҚОЛДАНУ». Халықаралық жоғары жылдамдықты электроника және жүйелер журналы. 14 (3): 791–796. дои:10.1142 / S0129156404002843. ISSN  0129-1564.
  7. ^ «Индий фосфиді: жиіліктің өту шегі және интеграция шегі. Жартылай өткізгіш БҮГІН Қосылыстар және AdvancedSilicon • 1-том • 3-шығарылым • 2006 ж. Қыркүйек» (PDF).
  8. ^ «Northrop Grumman terahertz IC күшейткішімен рекорд орнатты». www.semiconductor-today.com.

Сыртқы сілтемелер