第三讲高电子迁移率晶体管

HEMT⾼电⼦迁移率晶体管第五章⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理5.2 HEMT基本特性5.3 赝⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理⾼电⼦迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因⽤的是调制掺杂的材料，所以⼜称为调制掺杂场效应管。

1978年R.Dingle 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。

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，并在⾼速数字IC⽅⾯取得了明显得进展。

传讯速度的关键在于电⼦移动速率快慢，HEMT中的电⼦迁移率很⾼，因此器件的跨导⼤、截⽌频率⾼、噪声低、开关速度快。

2作为低噪声应⽤的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能⼀代⽐⼀代优异：第⼀代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。

第⼆代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝⾼电⼦迁移率晶体管)，40GHz下，NF为1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。

第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。

AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构制作⼯序：在半绝缘GaAs衬底上⽣长GaAs缓冲层（约0.5µm）→⾼纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台⾯腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合⾦的源、漏欧姆接触电极→⼲法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。

图5-1 GaAs HEMT基本结构HEMT是通过栅极下⾯的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2－DEG的浓度实现控制电流的。

《AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》篇一AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性一、引言随着半导体技术的不断发展，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）已成为射频和微波电路的重要元件。

在HEMT器件中，电子迁移率以及电流-电压（I-V）输出特性是评估其性能的关键参数。

本文将重点研究AlGaN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）的电子迁移率及其I-V输出特性，以期为相关研究与应用提供理论支持。

二、AlGaN/GaN MIS-HEMT结构与工作原理AlGaN/GaN MIS-HEMT是一种利用二维电子气（2DEG）工作的晶体管，其结构主要由AlGaN/GaN层、栅极绝缘层以及源漏电极等部分组成。

在电场作用下，AlGaN/GaN界面处产生2DEG，从而形成导电通道，实现电流的传输。

三、电子迁移率的研究电子迁移率是衡量半导体材料中电子运动能力的重要参数，直接影响着器件的导电性能。

在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，电子迁移率受到材料质量、界面态密度、温度等多种因素的影响。

首先，材料质量对电子迁移率的影响至关重要。

高质量的AlGaN/GaN材料具有较低的缺陷密度和较高的载流子浓度，从而使得电子迁移率得以提高。

其次，界面态密度也会对电子迁移率产生影响。

界面处存在过多的陷阱态会散射电子，降低其迁移率。

此外，温度也是影响电子迁移率的重要因素。

随着温度的升高，电子的热运动加剧，使得迁移率降低。

四、I-V输出特性的研究I-V输出特性是描述器件电流与电压关系的曲线，反映了器件的导电性能和稳定性。

在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，I-V输出特性受到栅极电压、源漏电压以及器件结构等因素的影响。

首先，栅极电压对I-V输出特性具有显著影响。

当栅极电压增大时，2DEG的密度增加，导致电流增大。

其次，源漏电压的变化也会引起I-V特性的变化。

第五章高电子迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和工作原理5.2 HEMT基本特性5.3 赝高电子迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和工作原理高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因用的是调制掺杂的材料，所以又称为调制掺杂场效应管。

1978年R.Dingle 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。

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，并在高速数字IC方面取得了明显得进展。

传讯速度的关键在于电子移动速率快慢，HEMT中的电子迁移率很高，因此器件的跨导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。

表5-1 几种场效应晶体管中电子迁移率对比(单位：cm2/V.s)器件300K 77KHEMT 8000 54000GaAs MESFET 4800 6200Si MESFET 630 1500作为低噪声应用的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能一代比一代优异：第一代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。

第二代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝高电子迁移率晶体管)，40GHz下，NF为1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。

第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。

AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构制作工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（约0.5μm）→高纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台面腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极→干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。

高电子迁移率晶体管（HEMT）高电子迁移率晶体管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）：HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），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，原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。

上世纪70年代采用MBE 和MOCVD就制备出了异质结。

1978年Dingle等首先证实了在AlGaAs/GaAs调制掺杂异质结中存在高迁移率二维电子气；然后于1980年，Mimura等、以及Delagebeaudeuf等研制出了HEMT。

从此HEMT就很快地发展起来了，有可能在高速电路领域内替代MESFET。

HEMT的原理结构和能带图（1）FET-IC实现超高频、超高速的困难（提高载流子迁移率的重要性）因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd ∝ CL/(μnVm)和减小器件的开关能量(使IC 不致因发热而损坏)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速。

解决此矛盾的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅, 以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd 则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。

（2）HEMT的工作原理：HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。

在图中示出了AlGaAs/GaAs异质结HEMT的结构和相应的能带图；在宽禁带的AlGaAs层（控制层）中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层（沟道层）中不掺杂（即为本征层）。

这里AlGaAs/GaAs就是一个调制掺杂异质结，在其界面、本征半导体一边处，就构成一个电子势阱（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。

基金项目：国家自然科学基金重点基金（60736033）；西安应用材料创新基金项目（XA-AM-200703）定稿日期：2008-10-10作者简介：张金风（1977-），女，陕西铜川人，博士，副教授，研究方向为GaN 器件机理等。

1引言在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管（HEMT ）是应用于高频大功率场合最主要的器件。

这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气（2DEG ）形成导电沟道，2DEG 的密度、迁移率和饱和速度等决定了器件的电流处理能力。

基于GaN 及相关Ⅲ族氮化物材料（AlN ，InN ）的HEMT 则是目前化合物半导体电子器件的研究热点。

与第2代半导体GaAs 相比，GaN 在材料性质方面具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT 的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且Ⅲ族氮化物材料具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT 材料结构中2DEG 的密度和迁移率，赋予GaN HEMT 非常强大的电流处理能力。

根据各种半导体的材料性能，从输出功率和频率的角度给出了具体应用范围。

显然，GaN HEMT 非常适合无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率应用；在航空航天、核工业、军用电子等对化学稳定性和热稳定性要求很高的应用场合，GaN HEMT 也是理想的候选器件之一。

自1993年第一只GaN HEMT 问世以来[1]，对它的研究速度很快且成果丰富，但即便是已发展到初步商用的今天，该领域仍存在大量的科学问题，表现出“需求超前于技术，技术超前于科研”的特点。

进入21世纪以后，GaN HEMT 的材料结构以AlGaN/GaN异质结为主，器件工艺和热处理手段基本成熟，主要研究热点集中在通过器件结构设计和材料结构纵向设计来提高GaN HEMT 的频率特性和功率特性，削弱和消除电流崩塌等相关可靠性问题。

在此将全面综述这些研究进展。

hbt中砷化镓的作用(一)HBT中砷化镓的作用1. 引言砷化镓（GaAs）是一种半导体材料，被广泛应用于半导体器件中。

在高电子迁移率晶体管（HBT）中，砷化镓起着关键的作用。

本文将探讨砷化镓在HBT中的功能和应用。

2. HBT简介HBT，即高电子迁移率晶体管，是一种半导体器件，由砷化镓和其他半导体材料构成。

它可以实现高频率和高功率的放大和开关操作。

其中，砷化镓充当了电子注入区和集电区的关键角色。

3. 砷化镓的特性砷化镓具有以下特性，使其成为HBT中的理想材料：•高电子迁移率：砷化镓的电子迁移率远高于硅材料，使其在高频率应用中具有较低的电阻和电容特性。

•半导体能隙：砷化镓的能隙较宽，使得HBT器件能够在高温环境下工作，同时也有助于抑制漏电流。

•高饱和运输速度：砷化镓的载流子饱和速度很高，使其能够实现快速的开关操作。

4. HBT中的砷化镓应用砷化镓在HBT中具有以下应用：基区HBT的基区是由砷化镓材料构成的。

在HBT中，基区起到控制电流的作用。

它具有较高的迁移率和较低的阻抗，能够实现快速的电流开关。

发射区HBT的发射区也是由砷化镓构成的。

发射区是电子注入区，负责注入电子到基区。

砷化镓的高电子迁移率和高饱和运输速度，有助于实现快速的电子注入。

集电区HBT的集电区一般由其他半导体材料构成，但边缘区域往往采用砷化镓。

砷化镓的特性可以提高集电区的电子迁移率和响应速度。

5. 总结砷化镓作为HBT中的关键材料，具有高迁移率、宽能隙和高饱和运输速度的特点。

它在HBT的基区、发射区和边缘区都发挥着重要的作用。

砷化镓的应用使得HBT器件具有高效、高频率和高功率的特性。

随着技术的进步，我们对砷化镓在HBT中的理解还将不断深入，为其应用领域的拓展提供更广阔的前景。