고전자 이동성 트랜지스터
High-electron-mobility transistor
헤테로 구조 FET(Hetherorstructure FET) 또는 변조 도프 FET(MODFET)로도 알려진 고전자 이동성 트랜지스터(HEMT)는 도프 영역(일반적으로 MOS의 경우)이 아닌 다른 밴드 갭(즉 헤테로 접합)을 채널로 하는 전계효과 트랜지스터이다.일반적으로 사용되는 재료 조합은 GaAs와 AlGaAs입니다. 단, 장치의 용도에 따라 다양한 차이가 있습니다.일반적으로 인듐이 더 많이 포함된 장치는 더 나은 고주파 성능을 나타내며, 최근에는 질화 갈륨 HEMT가 고출력 성능으로 주목을 받고 있다.다른 FET와 마찬가지로 HEMT는 집적회로에서 디지털 온오프 스위치로 사용됩니다.FET는 소전압을 제어 신호로 사용하여 대량의 전류에 대한 증폭기로도 사용할 수 있습니다.이러한 두 가지 사용 모두 FET의 고유한 전류-전압 특성에 의해 가능합니다.HEMT 트랜지스터는 일반 트랜지스터보다 높은 주파수, 최대 밀리미터의 파동 주파수로 동작할 수 있으며 휴대폰, 위성 TV 수신기, 전압 변환기, 레이더 장비 등 고주파 제품에 사용된다.위성 수신기, 저전력 증폭기 및 방위산업에서 널리 사용되고 있습니다.
이점
HEMT의 장점은 높은 게인을 가지며, 이는 증폭기로 유용하며, MODFET의 주요 전하 캐리어가 다수이며 소수 캐리어에 크게 관여하지 않기 때문에 달성되는 높은 스위칭 속도 및 이러한 장치의 전류 변동이 opt에 비해 낮기 때문에 매우 낮은 노이즈 값입니다.그녀.
역사
HEMT(High Electron-Mobility Transistor)의 발명은 보통 [1]일본 후지쯔에서 일하던 물리학자 미무라 다카시(三村高橋)가 주도하고 있다.HEMT의 기초는 미무라사가 1977년부터 표준 실리콘(Si) MOSFET의 대안으로 연구해 온 GaAs(비화 갈륨) MOSFET(금속 산화물-반도체 전계효과 트랜지스터)였다.그는 1979년 봄, 1978년 [1][2]4월 특허를 출원한 레이 딩글, 아서 고사드, 호르스트 슈퇴르머가 미국 벨 연구소에서 개발한 변조 도프된 헤테로 접합 초격자에 대해 읽었을 때 HEMT를 구상했다.미무라는 1979년 8월에 HEMT에 대한 특허 공개를, 그 [3]해 말에 특허 공개를 신청했다.1980년 5월, 미무라씨와 히야미즈 사토시씨가 HEMT 디바이스의 첫 시연회를 개최해,[1] 그 후 1980년 8월에 최초의 E-HEMT를 시연했다.
Daniel Delagebeuduf와 Tranc Linh Nuyen은 프랑스 Thomson-CSF에서 일하던 중 1979년 3월 유사한 유형의 전계효과 트랜지스터 특허를 출원했다.또,[4] Bell Labs의 특허도 그 영향으로서 인용하고 있습니다.1980년 [1]8월 델라주보데프와 누옌이 "반전" HEMT의 첫 시연을 했다.
GaN 기반의 HEMT에 대한 최초의 언급 중 하나는 [5]Khan 등의 1993 Applied Physical Letters 기사에 있다.그 후 2004년, 경찰.Ye와 B.양 외 연구진은 GaN(질화 갈륨) 금속 산화물 반도체 HEMT(MOS-HEMT)를 시연했다.게이트 유전체 및 표면 패시베이션 [6]모두에 원자층 증착(ALD) 산화 알루미늄(AlO23) 막을 사용했습니다.
개념 분석
HEMT는 헤테로 접합입니다.이는 사용된 반도체의 밴드 갭이 다르다는 것을 의미합니다.예를 들어 실리콘의 밴드갭은 1.1전자볼트(eV)이고 게르마늄의 밴드갭은 0.67eV입니다.헤테로 접합이 형성될 때 연속적인 레벨을 형성하기 위해 재료 전체의 전도 밴드와 원자가 밴드가 구부러져야 합니다.
HEMT의 뛰어난 캐리어 모빌리티와 스위칭 속도는 다음 조건으로부터 얻을 수 있습니다.광대역 원소는 공여 원자로 도핑되어 있으므로 전도 대역에 여분의 전자가 있습니다.이러한 전자는 에너지가 낮은 상태의 가용성으로 인해 인접한 협대역 물질의 전도 대역으로 확산됩니다.전자의 이동은 전위의 변화를 유발하며, 따라서 물질들 사이에 전장이 생긴다.전장은 전자를 광대역 소자의 전도 대역으로 밀어냅니다.확산 과정은 전자 확산과 전자 드리프트가 서로 균형을 이룰 때까지 지속되며 p-n 접합과 유사한 평형에서 접합을 형성한다.비도프 협대역 갭 소재에는 과도한 수의 전하 캐리어가 있습니다.전하 캐리어가 다수인 것은 스위칭 속도가 높고, 저대역 갭 반도체가 기복이 없다는 것은 산란을 일으키는 도너 원자가 없기 때문에 이동성이 높다는 것을 의미한다.
HEMT의 중요한 측면은 전도 대역과 원자가 대역의 불연속성을 개별적으로 변경할 수 있다는 것이다.이것에 의해, 디바이스내의 캐리어와 디바이스외의 캐리어 타입을 제어할 수 있습니다.HEMT는 전자를 주담체로 하기 때문에 어느 한 재료에 대해서도 등급 도핑을 할 수 있기 때문에 전도대역의 불연속성을 작게 하고 원자가대역의 불연속성을 동일하게 유지할 수 있다.이러한 캐리어 확산은 좁은 밴드 갭 물질 내부의 두 영역의 경계를 따라 전자가 축적되는 결과로 이어집니다.전자의 축적은 이러한 소자에서 매우 높은 전류를 유도합니다.축적된 전자는 2DEG 또는 2차원 전자 가스라고도 합니다.
변조 도핑이라는 용어는 도판트가 전자를 운반하는 전류와 공간적으로 다른 영역에 있다는 사실을 말한다.이 기술은 Bell 연구소의 Horst Störmer에 의해 발명되었습니다.
설명.
전도를 허용하기 위해 반도체는 이동 전자 또는 구멍을 제공하는 불순물로 도핑됩니다.그러나 이러한 전자는 애초에 그것들을 생성하는데 사용된 불순물(도판트)과의 충돌을 통해 느려진다.HEMT는 도판트 불순물이 없는 고도로 도프된 와이드밴드갭 n형 기증자 공급층(이 예에서는 AlGaAs)과 비도프된 협대역갭 채널층(이 예에서는 GaAs)의 헤테로 접합을 사용하여 생성된 높은 이동성 전자를 사용하여 이를 회피한다.
얇은 N형 AlGaAs 층에서 생성된 전자는 GaAs 층에 완전히 떨어져 고갈된 AlGaAs 층을 형성합니다. 왜냐하면 서로 다른 밴드 갭 물질에 의해 생성된 헤테로 접합이 GaAs 측 전도 대역에서 양자 우물(급경사 협곡)을 형성하여 전자가 어떠한 불순물 베카우와도 충돌하지 않고 빠르게 이동할 수 있기 때문입니다.GaAs 레이어는 비포맷 상태이며 이 레이어에서 벗어날 수 없습니다.이 효과는 매우 높은 농도로 매우 얇은 이동성이 높은 전도성 전자층을 형성하여 채널에 매우 낮은 저항률을 제공합니다(또는 다른 말로 "높은 전자 이동성").
정전 기구
GaAs는 전자 친화력이 높기 때문에 AlGaAs 층의 자유전자는 비선회 GaAs 층으로 전달되며, 계면으로부터 100μngström(10nm) 이내에 2차원 고이동성 전자 가스를 형성한다.HEMT의 n형 AlGaAs 층은 다음 두 가지 고갈 메커니즘을 통해 완전히 고갈됩니다.
- 표면 상태에 의한 자유 전자의 포획은 표면 고갈을 일으킨다.
- 도프되지 않은 GaAs 층에 전자가 전달되면 계면 고갈이 발생합니다.
게이트 금속의 페르미 레벨은 전도 대역보다 1.2eV 낮은 핀 접속점에 일치합니다.AlGaAs 층 두께가 감소하면 AlGaA 층의 공여자가 공급하는 전자는 층을 고정하기에 불충분합니다.그 결과 밴드 굽힘이 위쪽으로 이동하고 2차원 전자 가스가 나타나지 않는다.게이트에 임계값 전압보다 큰 양의 전압이 인가되면 전자가 계면에 축적되어 2차원 전자 가스를 형성합니다.
제조하다
MODFET는 변형된 SiGe 층의 에피택셜 성장에 의해 제조될 수 있습니다.변형층에서는 게르마늄 함유량이 약 40~50%까지 직선적으로 증가한다.이러한 게르마늄 농도는 높은 전도 대역 오프셋과 매우 이동성 전하 캐리어의 고밀도 양자 우물 구조를 형성할 수 있게 합니다.그 결과, 초고속의 스위칭 속도와 저노이즈 기능을 갖춘 FET가 실현됩니다.SiGe 대신 InGaAs/AlGaAs, AlGaN/InGaN 및 기타 화합물도 사용됩니다.InP와 GaN은 노이즈와 전력비가 좋아져 MODFET의 모재로 SiGe를 대체하기 시작했다.
HEMT 버전
성장 테크놀로지별: pHEMT 및 mHEMT
이상적으로는 이종 접합에 사용되는 두 가지 다른 재료의 격자 상수(원자 사이의 간격)가 동일합니다.실제로 격자 상수는 일반적으로 약간 다르며(예: GaAs의 AlGaAs), 결정 결함을 초래한다.유추로서 간격이 약간 다른 두 개의 플라스틱 빗을 함께 밀었다고 상상해 보십시오.정기적으로, 여러분은 두 개의 이가 뭉쳐 있는 것을 볼 수 있을 것입니다.반도체에서 이러한 불연속성은 심층적인 트랩을 형성하고 디바이스 성능을 크게 저하시킵니다.
이 규칙을 위반하는 HEMT를 pHEMT 또는 의사형 HEMT라고 합니다.이것은 재료 중 하나를 매우 얇은 층으로 사용하여 이루어집니다. 너무 얇아서 크리스털 격자가 다른 재료에 맞도록 늘어나기만 하면 됩니다.이 기술을 사용하면 다른 방법보다 밴드갭 차이가 큰 트랜지스터를 제작할 수 있어 성능이 [7]향상됩니다.
격자 상수가 다른 재료를 사용하는 또 다른 방법은 그 사이에 완충층을 배치하는 것입니다.이것은 pHEMT의 발전인 mHEMT 또는 변성 HEMT에서 이루어집니다.완충층은 AlInAs로 구성되어 있으며, GaAs 기판과 GaInAs 채널의 격자 상수와 일치하도록 인듐 농도가 등급화되었습니다.이를 통해 채널 내의 거의 모든 인듐 농도를 실현할 수 있으므로 다양한 용도에 맞게 장치를 최적화할 수 있습니다(인듐 농도가 낮으면 노이즈가 낮고 인듐 농도가 높으면 [citation needed]이득이 높습니다).
전기적 동작별: eHEMT 및 dHEMT
AlGaAs/GaAs와 같이 계면 순편광 전하가 없는 반도체 헤테로 인터페이스로 만들어진 HEMT는 2D 전자 가스를 형성하고 전자 전류의 전자를 게이트 쪽으로 끌어당기기 위해 AlGaAs 장벽에서 양의 게이트 전압 또는 적절한 도핑이 필요합니다.이 동작은 인핸스먼트모드에서 일반적으로 사용되는 전계효과 트랜지스터와 비슷하며 이러한 디바이스를 인핸스먼트 HEMT 또는 eHEMT라고 합니다.
AlGaN/GaN에서 HEMT를 구축하면 전력 밀도와 고장 전압을 높일 수 있습니다.질화물은 또한 낮은 대칭을 가진 다른 결정 구조, 즉 전기 분극이 내장된 워츠사이트 구조를 가지고 있다.이 편광은 GaN 채널층과 AlGaN 장벽층 사이에 다르기 때문에 0.01~0.03 C/2({2}})의 순서로 보상되지 않은 전하 시트가 형성됩니다.에피택셜 성장에 일반적으로 사용되는 결정방향('갤륨 페이스')과 제조에 유리한 디바이스 형상(상부 게이트)으로 인해 이 전하 시트는 양성이므로 도핑이 없어도 2D 전자 가스가 형성된다.이러한 트랜지스터는 일반적으로 켜져 있으며 게이트가 음으로 편향되어 있는 경우에만 꺼집니다. 따라서 이러한 종류의 HEMT는 고갈 HEMT 또는 dHEMT로 알려져 있습니다. 리셉터(예: Mg)를 사용한 장벽의 충분한 도핑에 의해 내장 전하를 보상하여 보다 관례적인 eHEMT 작동을 복구할 수 있지만, 고밀도 니트로피핑의 경우채널로의 도판트 확산으로 인해 hn학적으로 어렵다.
유도 HEMT
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변조 도프 HEMT와는 대조적으로 유도된 높은 전자이동성 트랜지스터는 전하 캐리어가 도판트에 의해 생성되는 것이 아니라 2DEG 평면에 "유도"되기 때문에 탑 게이트와 함께 다른 전자밀도를 튜닝하는 유연성을 제공한다.도프층이 없는 것은 변조 도프층에 비해 전자 이동성을 크게 향상시킵니다.이 정도 청결도는 양자 카오스 연구를 위한 양자 당구 분야 또는 초안정 초민감 전자기기의 [citation needed]응용 분야에 대한 연구를 수행할 수 있는 기회를 제공합니다.
적용들
애플리케이션(예: GaAs의 AlGaA용)은 고주파에서 높은 이득과 낮은 노이즈가 필요한 모든 애플리케이션인 마이크로파 및 밀리미터파 통신, 이미징, 레이더 및 전파 천문학과 유사합니다.HEMT는 600GHz 이상의 주파수에 대한 전류 게인과 1THz [8]이상의 주파수에 대한 전력 게인을 보여 왔습니다(2005년 4월에 600GHz 이상의 전류 게인 주파수에 대한 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터의 실증).전 세계 수많은 기업들이 HEMT 기반 장치를 개발 및 제조하고 있습니다.이들은 이산 트랜지스터일 수 있지만, 일반적으로 '모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC)'의 형태입니다.HEMT는 휴대폰과 DBS 수신기에서부터 레이더와 같은 전자전 시스템과 전파 천문학에 이르기까지 다양한 종류의 장비에서 발견된다.
또, 실리콘 기판상의 질화 갈륨 HEMT를 전압변환기 응용의 전력전환 트랜지스터로서 이용한다.실리콘 파워 트랜지스터 질화 갈륨 HEMT는 넓은 밴드갭 특성으로 인해 낮은 온스테이트 저항과 낮은 스위칭 손실을 특징으로 합니다.질화 갈륨 전력 HEMT는 최대 200V-600V의 전압을 상업적으로 구입할 수 있습니다.
「 」를 참조해 주세요.
헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터는 기가헤르츠 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
레퍼런스
- ^ a b c d Mimura, Takashi (March 2002). "The early history of the high electron mobility transistor (HEMT)". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 50 (3): 780–782. Bibcode:2002ITMTT..50..780M. doi:10.1109/22.989961.
- ^ US 4163237, Ray Dingle, Arthur Gossard 및 Horst Störmer, "변조된 도핑을 사용하는 고이동성 다층 헤테로 접합 장치"
- ^ Mimura, Takashi (8 December 2005). "Development of High Electron Mobility Transistor" (PDF). Japanese Journal of Applied Physics. 44 (12R): 8263–8268. Bibcode:2005JaJAP..44.8263M. doi:10.1143/JJAP.44.8263. ISSN 1347-4065. S2CID 3112776. Archived from the original (PDF) on 8 March 2019.
- ^ US 4471366, Daniel Delagebeuduf 및 Tranc L. Nuyen, "차단 주파수가 높은 전계효과 트랜지스터 및 그 형성 프로세스"(Google 특허)
- ^ Asif Khan, M.; Bhattarai, A.; Kuznia, J. N.; Olson, D. T. (1993). "High electron mobility transistor based on a GaN‐AlxGa1−xN heterojunction". Applied Physics Letters. 63 (9): 1214–1215. Bibcode:1993ApPhL..63.1214A. doi:10.1063/1.109775.
- ^ Ye, P. D.; Yang, B.; Ng, K. K.; Bude, J.; Wilk, G. D.; Halder, S.; Hwang, J. C. M. (1 September 2004). "GaN MOS-HEMT USING ATOMIC LAYER DEPOSITION Al2O3 AS GATE DIELECTRIC AND SURFACE PASSIVATION". International Journal of High Speed Electronics and Systems. 14 (3): 791–796. doi:10.1142/S0129156404002843. ISSN 0129-1564.
- ^ "Indium Phosphide: Transcending frequency and integration limits. Semiconductor TODAY Compounds&AdvancedSilicon • Vol. 1 • Issue 3 • September 2006" (PDF).
- ^ "Northrop Grumman sets record with terahertz IC amplifier". www.semiconductor-today.com.
