HEMT介绍.ppt
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1、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;,1
2、978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,
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、,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
12、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4
13、83mA/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
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