HEMT介绍.ppt
HEMT,High Electron Mobility Transistor,高电子迁移率晶体管,HEMT的发展历史,一、HEMT简介,HEMT，高电子迁移率晶体管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（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。前者强调这种器件高速高频的原因是电子迁移率高；后者强调得到高电子迁移率的方法是调制掺杂或选择掺杂。,二、HEMT的发展历史,1960年，Anderson预言在异质结界面存在有电子的累积；,1969年，Easki和Tsu提出在禁带宽度不同的异质结结构中，离化的施主和自由电子是分离的；,1978年，Dingle等在调制掺杂GaAs/n-AlGaAs单异质结结构的实验中，证明了异质结界面存在二维电子气（2DEG），且有高迁移率；,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。,二维电子气模型,如果三维固体中电子在某一个方向上的运动受到阻挡，被局限于一个很小的范围内，那么，电子就只能在另外两个方向上自由运动，这种具有两个自由度的电子就称为二维电子（2DEG）。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，即形成了（2DEG）。特点：电子（或空穴）在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制。,一、二维电子气（2DEG）概念,二、典型的二维电子气(2DEG),在MOS结构中，半导体表面反型层中的电子可看成是典型的二维电子气。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动。,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（X、Y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。紧靠表面处的电子浓度为零。,电子浓度随离开表面距离的关系,AlGaAs/GaAs HEMT,（常规HEMT）,制备工艺：1.在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（约0.5m）2.高纯GaAs层（约60nm）3.n型AlGaAs（铝镓砷）层（约60nm）4.n型GaAs层（厚约50nm）5.台面腐蚀隔离有源区 6.制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极 7.干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层 8.淀积Ti/Pt/Au栅电极。,一、GaAs体系HEMT的结构,一、GaAs体系HEMT的结构,AlGaAs层通常称为控制层，它与金属栅极形成肖特基势垒，与GaAs层形成异质结。在宽禁带的AlGaAs层中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层中不掺杂。源和漏电极接触直接做在二维电子气上。,一、GaAs体系HEMT的结构,HEMT结构图：,二、GaAs体系HEMT的工作原理,在i-GaAs/n-AlxGa1-xAs异质结构中，电子亲合力较小的AlxGa1-xAs是n型掺杂的，而GaAs是非掺杂的，即所谓调制掺杂。由于AlGaAs的带隙较大，自由电子能量比与之相邻的GaAs的要高，于是电子从前者转移到后者中，并引起能带弯曲。由于异质结界面存在势垒，故电子被限制在由导带不连续性建立起来的宽度只有100的三角形势阱中，形成所谓的二维电子气（2DEG）。,二、GaAs体系HEMT的工作原理,HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2DEG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2DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏极电流。由于2DEG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。,二、GaAs体系HEMT的工作原理,n型的AlGaAs层分别与金属栅极形成肖特基势垒，与GaAs层形成异质结。两者的空间电荷区边界相接，从而使栅极下的AlGaAs层全耗尽。,平衡情况下HEMT能带图,二、GaAs体系HEMT的工作原理,如果没有全耗尽，会在AlGaAs层出现寄生沟道，形成附加电导，将会使器件特性严重退化。,三、GaAs体系HEMT的重要参数,低温下晶格振动较弱，电离杂质散射起主导作用。为了隔开杂质中心与2DEG，往往设置一层适度厚度的隔离层未掺杂的AlGaAs层。,杂质中心,隔离层：i-AlGaAs,二维电子气,1、隔离层厚度d：,三、GaAs体系HEMT的重要参数,1、隔离层厚度d：,厚度太薄时起不到隔离的效果，但是隔离层厚度大于7nm时，杂质中心的库伦散射就不再是限制电子迁移率的主要因素。这时其它散射比如界面散射的影响将成为主要因素；厚度也不能太大，如果太厚，将使2DEG的面密度下降，源漏串联电阻增加等。故一般取7-10nm。,三、GaAs体系HEMT的重要参数,2、2DEG电子迁移率：,一方面，当隔离层厚度从零逐渐增大时，远程电离杂质对2DEG电子散射作用逐渐减小，迁移率增大；另一方面，隔离层厚度的增大会导致2DEG浓度减小，使2DEG对本底电离杂质和远程电离杂质散射的屏蔽作用减小；当隔离层厚度达到这两种因素的作用相等时，迁移率达到最大值，隔离层厚度继续增大，2DEG的电子迁移率减小。,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：,2DEG浓度Ns与隔离层厚度d理论计算曲线,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=0.30.35时，Ns最高。这个结果与实验规律是一致的。,四、GaAs体系HEMT优缺点,常规HEMT（即GaAs体系HEMT）有许多优点，其优良的低温沟道特性尤为世人瞩目，其薄层载流子密度在81011101011/cm2之间，77K下的2DEG迁移率高达60000cm2/Vs。,优点：,缺点：,但是，在该结构的n-AlxGa1-xAs层中，如果Al克分子数x0.2时，就会产生深电子陷阱DX中心，当电子被俘获在这些陷阱中时，器件的阈值电压Vth会随温度变化，电流-电压特性变坏，因而使HEMT的低温特性复杂化了。目前常规HEMT的AlxGa1-xAs层的x通常为0.3，当然会发生前述弊病。,InGaAs沟道HEMT,（PHEMT）,一、PHEMT概念,为了解决常规HEMT所遇到的问题，1985年，Wiselink提出InGaAs沟道HEMT。它是用非掺杂的InGaAs层代替常规HEMT的非掺杂GaAs层作为沟道而构成的。在InGaAs/GaAs异质界面存在大约1%的晶格失配，当InGaAs层足够薄时（例如200），由晶格失配所产生的应力将全部被吸收在该层中，后者应受应力作用而被压缩，使其晶格常数大致与GaAs相匹配，此层称作“应变层”或“赝配层”，具有这种结构的HEMT称作“应变层HEMT”或“赝配HEMT”（PHEMT）。,二、PHEMT结构,二、PHEMT工作原理,由于GaAs的导带能级低于AlxGa1-xAs的施主能级，所以由施主能级提供的电子转移到GaAs中，这种电荷转移产生一个强的内建场，并在结附近引起显著的能带弯曲，产生一个近似三角形的与界面垂直的一维势垒，电子被俘获在这个势垒中，形成所谓的2DEG。由于2DEG与母体施主杂质在空间上是分离的，消除了由二者之间的碰撞引起的散射，从而能显著提高迁移率。,而对PHEMT来说，在加了非掺杂的InGaAs层之后，其导带就发生变化，成为a的样子。在InGaAs层的靠近n-AlxGa1-xAs层一侧，势垒高度为0.3eV，与b相同，而在靠近非掺杂GaAs一侧，也出现了导带的不连续性，形成一个0.17eV的势垒。这样，非掺杂的InGaAs层实际上就成为一个量子阱，就是说，比常规HEMT对电子又多加了一个限制。一般认为，这是使PHEMT有较低输出电导和较高功率附加效率的一个原因。,二、PHEMT工作原理,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1m栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。,二、PHEMT工作原理,二、PHEMT较之常规HEMT的优点,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7.41017cm2V-1S-1，后者为4.41017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。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。所以AlxGa1-xAs即使是选择较低的x(0.15)，仍能获得满足器件要求的Ec。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。,GaN基HEMT,一、GaN材料,GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙（3.39eV）、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景.,GaN材料与其他半导体材料比较：,一、GaN材料,一、GaN材料,GaN材料性能特点：,宽禁带：宽禁带使材料能够承受更高电压和更高温度，GaN 禁带宽度为Si 的三倍、GaAs的两倍多，其工作温度可以达到 700，因此能够应用到更严酷的环境。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,GaN基器件的优点：,截面图,实物图,二、GaN基HEMT,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 PSP:自发极化 PPE:压电极化,二、GaN基HEMT,即使势垒层非故意掺杂，在异质结界面处也可获得1013cm2的二维电子气。,2-DEG浓度计算：根据E.T.Yu的方法，无掺杂时,其中d为AlGaN势垒层厚度，eb是门接触的肖特基势垒，EF是位于导带下的费米能级，Ec是AlGaN/GaN异质结界面的导带差。,二、GaN基HEMT,未掺杂的AlGaN势垒层厚度为25nm和GaN缓冲层为1300nm的Al0.25Ga0.75N/GaN异质结得能带图。,二、GaN基HEMT,在导带图中我们可以观察到在AlGaN和GaN的界面处存在一个很大的势阱，这个势阱的深度为0.15eV，这个势阱深和表面势垒的差约为1.2eV电子伏，正是由于这个大的带差，电子很难跨越这个势阶进入表面才可以很好的被限制在GaN内和AlGaN紧邻的薄层内，形成了一个高密度的2DEG。而在传统AlGaAs/GaAs异质结中只有通过掺杂才能产生2DEG。这正是逊色于AlGaN/GaN的最大的地方。,三、GaN基HEMT的重要参数,1、2DEG密度NS与势垒层厚度d的关系,2DEG并不是从dAlGaN=0的时候就开始存在，而是等到dAlGaN达到一定的厚度时才出现的。2DEG的面密度随着dAlGaN的增加而增加，但它与dAlGaN的关系并不是线性的。当dAlGaN达到某个特定值时，2DEG的面密度不在随着厚度的增加而增加，几乎保持在一个稳定的值不再改变。,三、GaN基HEMT的重要参数,2、2DEG面密度与AlxGa1-xN中x的关系,2DEG的面密度随着AlGaN势垒层中Al组分的增加而线性增长。这与E.T.Yu计算方法的结果相一致。但是这个只是在0.150.4的时候，在GaN缓冲层和势垒层间大的晶格和热量的不匹配导致一个AlGaN中高的结构缺陷密度和粗糙的界面限制了2DEG的迁移率。当x0.15时，导带差将变得非常小(EC0.28eV),导致对载流子浓度没有好的限制。,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,主要工艺：1、在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间插入一层很薄的AlN层（缓冲层），防止电子AlGaN层渗透。2、钝化处理。通过钝化工艺减少表面态,抑制电流崩塌效应,可提高器件性能。3、栅结构设计：T栅，板栅等,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,AlN插入层：在GaN基HEMT中，2DEG密度与电子迁移率乘积是决定器件功率密度的关键因素。为了获得高功率密度，就要提高2DEG密度，对AlGaN/GaN异质结而言，增加Al组分可以增强极化效应，从而提高2DEG密度。然而，高Al组分使合金散射增强，且晶体质量下降。而AlN插入层技术，即在AlGaN和GaN之间插入较薄的AlN层，可以改善界面质量，减少散射，提高电子迁移率，同时还可以提高导带不连续性，增加2DEG密度。,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,凹栅技术：,普通结构,凹栅结构,凹栅技术指使金属栅凹陷到势垒层中，图中为普通栅与凹栅结构示意图。凹栅结构可以抑制电流崩塌、提高击穿电压及减小栅泄漏电流。,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,钝化技术：钝化是指在器件表面淀积介质薄膜形成钝化保护层。钝化技术可以通过减少器件表面态和削弱表面电场，抑制电流崩塌，增强器件性能。SiNx是最常用的钝化介质，其他如Si02、AhOs.SC2O3等介质亦被用于钝化实验研究。,场板技术：场板是与电极连接的金属板，其可以调制电极与半导体接触边缘或沟 道电场，使电场分布发生改变，从而改善耐压特性。场板常用于提高 击穿电压，Uemoto等人2007年同时采用栅场板、源场板和漏场板结 构，再将漏电极过孔到蓝宝石衬底，使得击穿电压达到了8300 V。,四、GaN基HEMT制备工艺及技术,绝缘层插入技术：绝缘层插入技术是在GaN基异质结和金属栅之间插入绝缘层，构成MIS的结构。栅绝缘层的引入可以大大降低栅泄漏电流，与传统的肖特基栅HEMT相比，最大可降低46个量级。此外，栅正向电压不再受制于肖特基势全，可以工作于更高正压，栅压摆幅增大，栅压的增加也可以获得更高的2DEG密度。,帽层技术：帽层技术是指在异质结的上部生长一层薄薄的GaN或者InGaN材料。势垒层表面生长帽层后，提高了势垒高度，降低了栅边缘的电场，进 而抑制栅电流和电流的崩塌。此外，研究发现GaN帽层的引入还能够 提高表面的平整度和降低表面氧化物的生成。,五、GaN基HEMT面临的问题,欧姆接触：通过高温合金反应形成的欧姆接触，表面形貌非常粗糙，严重影响器件的可靠性，以及器件在微波领域的应用；高温合金反应过程可能会对氮化镓材料表面以及沟道内部产生损伤，直接影响沟道二维电子气浓度，影响器件的输出功率。提高欧姆接触的表面形貌、降低接触电阻率仍然是欧姆接触的两大难点。,五、GaN基HEMT面临的问题,器件栅结构：在GaN基器件诞生的初期都是采用肖特基接触作为栅接触，但是该种方式会造成大的栅泄漏电流。金属长时间与氮化镓表面接触，金属会扩散到氮化镓体内，严重影响器件的可靠性。而且通过肖特基结构形成的栅接触限制了器件的栅极电压应用范围。肖特基结构作为栅接触的另一个致命缺点是低击穿电压，这将会严重制约器件在电力电子方面的应用。,五、GaN基HEMT面临的问题,器件的电流崩塌现象：电流崩塌现象是指器件在施加长时间的直流电压应力或者在栅上加交流信号时，器件的输出电流有较大程度下降的情况，该现象就是电流崩塌，电流崩塌现象是GaN材料中比较普遍的现象，这是由于生长氮化镓技术的不成熟，不可避免的在氮化镓的表面引入缺陷和表面态，这也是GaN材料无法完全取代硅材料的重要原因。,六、GaN基HEMT的应用与进展,从输出功率和频率的角度，非常适合无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率应用。GaN HEMT将覆盖2-40GHz频段内的无线通讯。从化学稳定性和热稳定性的角度，在航空航天、核工业、军用电子得到广泛应用。,六、GaN基HEMT的应用与进展,射电望远镜,射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。射电望远镜的外形差别很大，有固定在地面的单一口径的球面射电望远镜，有能够全方位转动的类似卫星接收天线的射电望远镜，有射电望远镜阵列，还有金属杆制成的射电望远镜。1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心的无线电波。随后美国人格罗特雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线，并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波，并且根据观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯使用的那架天线是世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜。,位于美国新墨西哥州的综合孔径射电望远镜甚大天线阵。,六、GaN基HEMT的应用与进展,六、GaN基HEMT的应用与进展,六、GaN基HEMT的应用与进展,日本川崎，2007 年 6 月 22 日(ACN Newswire)富士通实验室今天宣布有关新型高可靠性氮化镓(GaN)HEMT的最新研究成果，为高功率 GaN HEMT 器件的商业化铺平了道路。通过长期的可靠性测试，富士通分析并发现了 GaN HEMT 器件的栅泄漏电流和可靠性之间存在一定关系。另外，富士通还观察到栅泄漏电流的增加依赖于晶体的质量和 GaN HEMT 的结构。通过利用 GaN HEMT 自有的 n 型 GaN 盖层（表面层）上的少量表面空穴，富士通改进了晶体质量并对层结构进行优化，减弱了 GaN HEMT 结构中的电场。这些设备的高温夹断测试（在 300 以上的高温下运行）验证了其长时间的高可靠性在 200 的沟道温度下可超过一百万小时。这相当于 100 多年的使用寿命。,六、GaN基HEMT的应用与进展,2011年5月26日 三菱电机株式会社通知，本公司已开发出达到世界最高功率附加效率的卫星用C波段GaN HEMT 放大器。此次开发，将有助于因更新换代需求而发射量增加的通讯卫星上所搭载的发射机的小型、轻量化与节能化。,Thank You!,
