半导体器件物理专题HEMT课件.ppt

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1、HEMT,（High Electron Mobility Transistor),高电子迁移率晶体管,小组成员,制作PPT,收集资料,1,t课件,介绍内容,2,t课件,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。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。,3,t课件,一.HEMT简介,一般说来HEMT的发明是归功于日本人Takashi Mimura (三村 高志)

2、(Fujitsu, Japan)。 而在美国, Ray Dingle 和他的同事们在贝尔实验室（ Bell Laboratories ）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，为HEMT的发明做出了巨大贡献。在欧洲，来自Thomson-CSF (France)现为Thales Group的 Daniel Delagebeaudeuf 和 Trong Linh Nuyen在 1979年3月28日为一个他们设计的HEMT设备申请了专利。 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

3、速数字IC方面取得了明显得进展。,HEMT的发明,4,t课件,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

4、发展,HEMT 已经具备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2100 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。,5,t课件,制作工序： 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。,1.GaAs体系HEMT,图 1

5、GaAs HEMT基本结构,6,t课件,7,t课件,图2 GaAs HEMT中2-DEG,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。,1.GaAs体系HEMT,8,t课件,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

6、明：对掺硅的AlxGa1xAs，当x0.2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nAlGaAs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2DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管PHEMT。,1.GaAs体系HEMT,9,t课件,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InGaA

7、s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。,1.GaAs体系HEMT,图3 GaN HEMT 基本结构,10,t课件,1.GaAs体系HEMT,PHEMT较之常规HEMT的优点：,(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7.41017cm2V-1S-1，后者为4.41017cm2V-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

8、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。,11,t课件,2.GaN体系HEMT,HEMT是通过栅极下面的肖特基(Schottky)势垒来控制AlGaNGaN异质结中的2DEG的浓度而实现对电流的控制。栅极下面的以型A1GaN层，由于Schottky势垒的作用和电子向未掺杂GaN层转移，将全部耗尽。转移到未掺杂GaN层去的电子即在异质结界面处三角形势阱中形成2DEG；这些2DEG与处在AlGaN层中的杂质中心在空问上是分离的，不受电离杂质的影响，从而迁移率很高。,12,t课件,2.GaN体系H

9、EMT,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。AIGaNGaN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

10、自发极化效应的影响。,13,t课件,2.GaN体系HEMT,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TiA1，TiAu(2001200400200h)，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(NiAu300700h)肖特基势垒栅金属。,制作工序：,14,t课件,三.HEMT的应用,Applications are similar to those of MESFETs

11、 microwave and millimeter wave communications, imaging, radar, and radio astronomy any application where high gain and low noise at high frequencies are required. HEMTs have shown current gain to frequencies greater than 600GHz and power gain to frequencies greater than 1 THz. (Heterojunction bipola

12、r transistors were demonstrated at current gain frequencies over 600GHz in April 2005.) Numerous companies worldwide develop and manufacture HEMT-based devices. These can be discrete transistors but are more usually in the form of a monolithic microwave integrated circuit (MMIC). HEMTs are found in

13、many types of equipment ranging from cell-phones and DBS receivers to electronic warfare systems such as radar and for radio astronomy.,from Wikipedia,15,t课件,三.HEMT的应用,1.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

14、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。,16,t课件,三.HEMT的应用,Direct broadcast satellite (DBS) is a term used to refer to satellite television broadcasts intended for home reception.A de

15、signation broader than DBS would be direct-to-home signals, or DTH. This has initially distinguished the transmissions directly intended for home viewers from cable television distribution services that sometimes carried on the same satellite. The term DTH predates DBS and is often used in reference to services carried by lower power satellites which required larger dishes (1.7m diameter or greater) for reception.,2.直播卫星（ Direct broadcast satellite ）,17,t课件,三.HEMT的应用,3.其他应用,微波低噪声放大高速数字集成电路高速静态随机存储器低温电路功率放大微波震荡毫米波电路,毫米波通信精确制导,18,t课件,感谢老师和同学们！,19,t课件,