Transistor de alta mobilidade de elétrons - High-electron-mobility transistor

Seção transversal de um pHEMT de GaAs / AlGaAs / InGaAs
Diagrama de bandas de HEMT baseado em heterojunção GaAs / AlGaAs , em equilíbrio.

Um transistor de alta mobilidade de elétrons ( HEMT ), também conhecido como heteroestrutura FET ( HFET ) ou FET dopado por modulação ( MODFET ), é um transistor de efeito de campo que incorpora uma junção entre dois materiais com diferentes intervalos de banda (ou seja, uma heterojunção ) como o canal em vez de uma região dopada (como é geralmente o caso de um MOSFET ). Uma combinação de materiais comumente usada é GaAs com AlGaAs , embora haja uma grande variação, dependendo da aplicação do dispositivo. Dispositivos que incorporam mais índio geralmente mostram melhor desempenho de alta frequência, enquanto nos últimos anos, HEMTs de nitreto de gálio têm chamado a atenção devido ao seu desempenho de alta potência. Como outros FETs , os HEMTs são usados ​​em circuitos integrados como chaves liga-desliga digitais. Os FETs também podem ser usados ​​como amplificadores para grandes quantidades de corrente usando uma pequena tensão como sinal de controle. Ambos os usos são possíveis devido às características únicas de corrente-tensão do FET . Os transistores HEMT são capazes de operar em frequências mais altas do que os transistores comuns, até frequências de ondas milimétricas , e são usados ​​em produtos de alta frequência, como telefones celulares , receptores de televisão por satélite , conversores de voltagem e equipamentos de radar . Eles são amplamente utilizados em receptores de satélite, em amplificadores de baixa potência e na indústria de defesa.

Vantagens

As vantagens dos HEMTs são que eles têm alto ganho, o que os torna úteis como amplificadores; altas velocidades de comutação, que são alcançadas porque as principais operadoras de carga em MODFETs são as operadoras majoritárias, e as operadoras minoritárias não estão significativamente envolvidas; e valores de ruído extremamente baixos porque a variação de corrente nesses dispositivos é baixa em comparação com outros.


História

A invenção do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) é geralmente atribuída ao físico Takashi Mimura (三 村 高志), enquanto trabalhava na Fujitsu no Japão. A base para o HEMT era o GaAs (arsenieto de gálio) MOSFET (transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor), que Mimura vinha pesquisando como uma alternativa ao MOSFET de silício (Si) padrão desde 1977. Ele concebeu o HEMT na primavera 1979, quando ele leu sobre um heterojunction-dopado modulada superrede desenvolvido no Bell Labs nos Estados Unidos, por Ray Dingle, Arthur Gossard e Horst Störmer que entrou com uma patente em abril de 1978. Mimura entrou com uma divulgação patente para um HEMT em agosto de 1979, e uma patente mais tarde naquele ano. A primeira demonstração de um dispositivo HEMT, o D-HEMT, foi apresentada por Mimura e Satoshi Hiyamizu em maio de 1980 e, posteriormente, eles demonstraram o primeiro E-HEMT em agosto de 1980.

Independentemente, Daniel Delagebeaudeuf e Trong Linh Nguyen, enquanto trabalhavam na Thomson-CSF na França, registraram uma patente para um tipo semelhante de transistor de efeito de campo em março de 1979. Ele também cita a patente do Bell Labs como uma influência. A primeira demonstração de um HEMT "invertido" foi apresentada por Delagebeaudeuf e Nuyen em agosto de 1980.

Uma das primeiras menções de um HEMT baseado em GaN está no artigo de 1993, Applied Physics Letters , de Khan et al . Mais tarde, em 2004, PD Ye e B. Yang et al demonstraram um GaN (nitreto de gálio) semicondutor de óxido metálico HEMT (MOS-HEMT). Ele usou filme de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) de deposição de camada atômica (ALD) tanto como dielétrico de porta quanto para passivação de superfície .

Análise conceitual

HEMTs são heterojunções . Isso significa que os semicondutores usados ​​têm lacunas de banda diferentes . Por exemplo, o silício tem um gap de 1,1 elétron-volts (eV), enquanto o germânio tem um gap de 0,67 eV. Quando uma heterojunção é formada, a banda de condução e a banda de valência em todo o material devem se dobrar para formar um nível contínuo.

A excepcional mobilidade da portadora e velocidade de comutação dos HEMTs vêm das seguintes condições: O elemento de banda larga é dopado com átomos doadores; portanto, ele tem excesso de elétrons em sua banda de condução. Esses elétrons se difundirão para a banda de condução do material de banda estreita adjacente devido à disponibilidade de estados com energia mais baixa. O movimento dos elétrons causará uma mudança no potencial e, portanto, um campo elétrico entre os materiais. O campo elétrico empurrará os elétrons de volta para a banda de condução do elemento de banda larga. O processo de difusão continua até que a difusão de elétrons e a deriva de elétrons se equilibrem, criando uma junção em equilíbrio semelhante a uma junção pn . Observe que o material de lacuna de banda estreita não dopado agora possui portadores de carga majoritária em excesso. O fato de que os portadores de carga são portadores de maioria produz altas velocidades de comutação, e o fato de que o semicondutor de intervalo de banda baixo não é dopado significa que não há átomos doadores para causar espalhamento e, portanto, produz alta mobilidade.

Um aspecto importante dos HEMTs é que as descontinuidades de banda ao longo das bandas de condução e valência podem ser modificadas separadamente. Isso permite que o tipo de portadores dentro e fora do dispositivo seja controlado. Como os HEMTs requerem que os elétrons sejam os principais portadores, um doping graduado pode ser aplicado em um dos materiais, tornando a descontinuidade da banda de condução menor e mantendo a mesma descontinuidade da banda de valência. Esta difusão de portadores leva ao acúmulo de elétrons ao longo do limite das duas regiões dentro do material de gap estreito. O acúmulo de elétrons leva a uma corrente muito alta nesses dispositivos. Os elétrons acumulados também são conhecidos como 2DEG ou gás de elétron bidimensional.

O termo " dopagem de modulação " se refere ao fato de que os dopantes estão espacialmente em uma região diferente dos elétrons que transportam a corrente. Esta técnica foi inventada por Horst Störmer na Bell Labs .

Explicação

Para permitir a condução, os semicondutores são dopados com impurezas que doam elétrons móveis ou lacunas . No entanto, esses elétrons são desacelerados por meio de colisões com as impurezas (dopantes) usadas para gerá-los. HEMTs evitam isso por meio do uso de elétrons de alta mobilidade gerados usando a heterojunção de uma camada de fornecimento de doador tipo n largo bandgap altamente dopada (AlGaAs em nosso exemplo) e uma camada de canal de bandgap estreito não dopada sem impurezas dopantes (GaAs nesse caso).

Os elétrons gerados na camada fina de AlGaAs tipo n caem completamente na camada de GaAs para formar uma camada de AlGaAs empobrecida, porque a heterojunção criada por diferentes materiais de band-gap forma um poço quântico (um cânion íngreme) na banda de condução no GaAs lado onde os elétrons podem se mover rapidamente sem colidir com quaisquer impurezas porque a camada de GaAs não é dopada e da qual eles não podem escapar. O efeito disso é criar uma camada muito fina de elétrons condutores altamente móveis com concentração muito alta, dando ao canal uma resistividade muito baixa (ou dito de outra forma, "alta mobilidade de elétrons").

Mecanismo eletrostático

Como o GaAs tem maior afinidade eletrônica , os elétrons livres na camada AlGaAs são transferidos para a camada não dopada de GaAs, onde formam um gás de elétron bidimensional de alta mobilidade dentro de 100 ångström (10 nm ) da interface. A camada de AlGaAs tipo n do HEMT é completamente esgotada por meio de dois mecanismos de depleção:

  • O aprisionamento de elétrons livres por estados de superfície causa o esgotamento da superfície.
  • A transferência de elétrons para a camada de GaAs não dopada provoca o esgotamento da interface.

O nível de Fermi do metal do portão é compatível com o ponto de fixação, que está 1,2 eV abaixo da banda de condução. Com a espessura da camada de AlGaAs reduzida, os elétrons fornecidos por doadores na camada de AlGaAs são insuficientes para fixar a camada. Como resultado, a curvatura da banda está se movendo para cima e o gás de elétrons bidimensional não aparece. Quando uma tensão positiva maior do que a tensão limite é aplicada ao portão, os elétrons se acumulam na interface e formam um gás de elétron bidimensional.

Fabricar

Os MODFETs podem ser fabricados pelo crescimento epitaxial de uma camada de SiGe tensionada . Na camada deformada, o conteúdo de germânio aumenta linearmente para cerca de 40-50%. Esta concentração de germânio permite a formação de uma estrutura de poço quântico com um deslocamento de banda de alta condução e uma alta densidade de portadores de carga muito móveis . O resultado final é um FET com velocidades de comutação ultra-altas e baixo ruído. InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN e outros compostos também são usados ​​no lugar de SiGe. O InP e o GaN estão começando a substituir o SiGe como material de base nos MODFETs por causa de suas melhores relações de ruído e potência.

Versões de HEMTs

Por tecnologia de crescimento: pHEMT e mHEMT

Idealmente, os dois materiais diferentes usados ​​para uma heterojunção teriam a mesma constante de rede (espaçamento entre os átomos). Na prática, as constantes de rede são normalmente ligeiramente diferentes (por exemplo, AlGaAs em GaAs), resultando em defeitos de cristal. Como uma analogia, imagine empurrar juntos dois pentes de plástico com um espaçamento ligeiramente diferente. Em intervalos regulares, você verá dois dentes se agrupando. Em semicondutores, essas descontinuidades formam armadilhas de nível profundo e reduzem muito o desempenho do dispositivo.

Um HEMT em que esta regra é violada é denominado pHEMT ou HEMT pseudomórfico . Isso é obtido usando uma camada extremamente fina de um dos materiais - tão fina que a estrutura do cristal simplesmente se estica para se ajustar ao outro material. Esta técnica permite a construção de transistores com diferenças de bandgap maiores do que seria possível, dando-lhes melhor desempenho.

Outra maneira de usar materiais de diferentes constantes de rede é colocar uma camada tampão entre eles. Isso é feito no mHEMT ou HEMT metamórfico , um avanço do pHEMT. A camada de buffer é feita de AlInAs , com a concentração de índio graduada de forma que possa corresponder à constante de rede do substrato GaAs e do canal GaInAs . Isso traz a vantagem de que praticamente qualquer concentração de índio no canal pode ser realizada, de modo que os dispositivos podem ser otimizados para diferentes aplicações (baixa concentração de índio proporciona baixo ruído ; alta concentração de índio proporciona alto ganho ).

Por comportamento elétrico: eHEMT e dHEMT

HEMTs feitos de heterointerfaces semicondutoras sem carga de polarização de rede interfacial, como AlGaAs / GaAs, requerem tensão de porta positiva ou dopagem doadora apropriada na barreira AlGaAs para atrair os elétrons para a porta, que forma o gás de elétron 2D e permite a condução de correntes de elétrons. Esse comportamento é semelhante ao dos transistores de efeito de campo comumente usados ​​no modo de aprimoramento, e tal dispositivo é chamado de HEMT de aprimoramento ou eHEMT .

Quando um HEMT é construído a partir de AlGaN / GaN , maior densidade de potência e tensão de ruptura podem ser alcançadas. Os nitretos também possuem uma estrutura cristalina diferente com menor simetria, a saber, a wurtzita , que possui polarização elétrica embutida. Uma vez que esta polarização difere entre a camada de canal de GaN e a camada de barreira AlGaN , uma folha de carga não compensada na ordem de 0,01-0,03 C / m é formada. Devido à orientação do cristal normalmente usada para o crescimento epitaxial ("face de gálio") e a geometria do dispositivo favorável para a fabricação (porta no topo), esta folha de carga é positiva, fazendo com que o gás de elétron 2D seja formado mesmo se não houver dopagem . Esse transistor está normalmente ligado e desligará apenas se a porta for polarizada negativamente - portanto, esse tipo de HEMT é conhecido como HEMT de depleção ou dHEMT . Por dopagem suficiente da barreira com aceitadores (por exemplo, Mg ), a carga incorporada pode ser compensada para restaurar a operação eHEMT mais comum , no entanto, p-dopagem de nitretos de alta densidade é tecnologicamente desafiadora devido à difusão de dopante no canal.

HEMT induzido

Em contraste com um HEMT dopado por modulação, um transistor de alta mobilidade de elétrons induzida fornece a flexibilidade para sintonizar diferentes densidades de elétrons com uma porta superior, uma vez que os portadores de carga são "induzidos" ao plano 2DEG em vez de criados por dopantes. A ausência de uma camada dopada aumenta a mobilidade do elétron significativamente quando comparada às suas contrapartes dopadas por modulação. Este nível de limpeza oferece oportunidades para realizar pesquisas no campo do Quantum Billiard para estudos de caos quântico , ou aplicações em dispositivos eletrônicos ultraestáveis ​​e ultra sensíveis.

Formulários

Aplicações (por exemplo, para AlGaAs em GaAs) são semelhantes aos de MESFETs - microondas e ondas milimétricas comunicações , imagens, radar e radioastronomia - qualquer aplicação onde são necessários alto ganho e baixo ruído em altas freqüências. Os HEMTs mostraram ganho de corrente para frequências maiores que 600 GHz e ganho de energia para frequências maiores que 1 THz. ( Transistores bipolares heterojunção foram demonstrados em frequências de ganho de corrente acima de 600 GHz em abril de 2005). Várias empresas em todo o mundo desenvolvem e fabricam dispositivos baseados em HEMT. Eles podem ser transistores discretos, mas geralmente estão na forma de um 'circuito integrado de micro-ondas monolítico' ( MMIC ). HEMTs são encontrados em muitos tipos de equipamentos, desde telefones celulares e receptores DBS até sistemas de guerra eletrônica , como radar e para radioastronomia .

Além disso, HEMTs de nitreto de gálio em substratos de silício são usados ​​como transistores de comutação de energia para aplicações de conversor de tensão. Em comparação com os transistores de potência de silício, os HEMTs de nitreto de gálio apresentam baixas resistências no estado e baixas perdas de comutação devido às propriedades de largura de banda larga. HEMTs de nitreto de gálio estão disponíveis comercialmente para tensões de 200 V-600 V.

Veja também

Transistores bipolares heterojunção podem ser usados ​​para aplicações giga hertz.

Referências

  1. ^ a b c d Mimura, Takashi (março de 2002). "A história inicial do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT)". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 50 (3): 780–782. doi : 10.1109 / 22.989961 .
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