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。栅电压可以改变三角形势阱的深度和宽度，从
而可以改变2－DEG 的浓度，所以能控制HEMT 的漏
极电流。
由于2－DEG 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。
图5-2 GaAs HEMT中2-DEG
AlGaAs 隔离层制作
在低温工作时，由于晶格振动减弱，则n 型AlGaAs 层中的电离杂质中心对紧邻的2－
DEG 的Coulomb 散射将成为提高迁移率的主要障碍。为完全隔离杂质中心与2－DEG ，往往在n 型AlGaAs 层与GaAs 层之间设置一厚度约10nm 的未掺AlGaAs 隔离层，见图5-3（a ）。当隔离层厚度大于7nm 时，杂质中心的Coulomb 散射即不再是限制电子迁移率的主要因素，见图5-3（b ），而这时其他散射如界面散射影响将成为重要因素。隔离层厚度太大又会导致2-DEG 面密度下降和源漏串联电阻增加等，所以隔离层厚度一般取7－10nm 。
图5-3 （a ）HEMT 中电离杂质隔离层结构图 （b ）隔离层厚度与电子迁移率关系
AlGaAs 层厚度的选择
从减小串联电阻来讲，AlGaAs 越薄串联电阻越小；从器件工作来看，这层应当完全耗尽，否则在该层出现寄生沟道会使器件特性严重退化。从器件工作模式方面考虑，耗尽型HEMT 中这一层的厚度需要大一些，相反，对增强型HEMT 应薄些。对耗尽型HEMT ，AlGaAs 层的理想厚度应当是使栅肖特基势垒的边界与提供2－DEG 而形成的势垒区的边界正好相重叠，通常取35－60nm
AlGaAs 中含Al 量 x 的选择
提高 x 将使该层材料的禁带宽度增大，导致异质结的导带突变量△EC 增大，从而引起2－DEG 的浓度增加，可以减小源/栅寄生电阻、提高高频性能。但是，当Al 组分x 较大时，该晶体的表面质量将下降（缺陷增加），这会给工艺带来很多困难，一般取x ＝0.3。
n-AlGaAs 层掺杂浓度
从增大2－DEG 浓度和提高器件的跨导来讲，应当越高越好；但如果掺杂浓度高于 2×1018cm -3，在其上要获得非隧道肖特基势垒将很困难，限制了最高的掺杂浓度。
HEMT 材料的改进
（1）缓变调制A1GaAs 层。为了消除n-GaAs ／n-A1GaAs 层界面处的导带不连续性，降低界面电阻，在n-GaAs 下生长一层Al 组分从0变至x 的A1GaAs 层，厚度比较薄(10-20nm)，再接上掺杂的A1组分为x 的AlGaAs 层。（2）平面掺杂A1GaAs 层。为了克服肖特基势垒击穿低的缺点，在生长完隔离层以后，生长一层高浓度掺杂的薄层，浓度在1019cm-3以上，厚度为2～4nm ，这层A1GaAs 又叫平面掺杂层或δ掺杂层．接着再生长不掺杂或低掺杂的AlGaAs 层与栅金属接触。
5.2 HEMT 基本特性
二维电子气浓度和栅极电压的关系
AlGaAs/GaAs界面形成的三角形势阱的深度受到加在栅极上的电压V G 控制，故2-DEG 的浓度(面密度) 将受V G 控制 εn s ≈(V G +V off ) 根据电荷控制模型2-DEG 浓度n s 与V G 关系为: q (d +∆d )
其中ε为AlGaAs 的介电常数，d 为该层厚度，V T 为HEMT 的阈值电压，△d 为2-DEG 的有效厚度。
图5-4 2-DEG与栅极电压关系
I-V 特性
强电场下工作的耗尽型HEMT 和增强型HEMT
都呈现出平方规律的饱和特性。
图 5-5 HEMT 漏极电流I D 和漏极电压V DS 关系
5.3 赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)
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。实验表明：对掺硅的AlxGa1－xAs ，当x
为InGaAs 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 。（见图5-6）
图 5-6 PHEMT的基本结构及其能带图
PHEMT 较之常规HEMT 有以下优点：
(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7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-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。
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1μm 栅长的器件，在300K 和77K 下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。（见图5-7）
图 5-7 双调制掺杂PHEMT 能带图
本章小节
掌握HEMT 基本结构*
了解HEMT 器件的工作机理
为提高常规HEMT 性能，对材料结构做了哪些改进*
掌握PHEMT 材料结构，与常规HEMT 相比有什么特点*
HEMT-高电子迁移率晶体管
词名：HEMT
中文解释：高电子迁移率晶体管
常用别名：High-electron-mobility transistor；high electron mobility transistor
缩写：HEMT
来历：high-electron mobility transistor
概 述
一种异质结场效应晶体管，为MESFE 的变型。此术语由富士通(Fujitsu)公司提出。高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯以及天文观测。
高电子迁移率晶体管也称调制掺杂场效应管（MODFET ），又称二维电子气场效应管（2DEGFET ），它是利用调制掺杂方法，在异质结界面形成的三角形势阱中的二维电子气作为沟道的场效应晶体管，简称HEMT 。
1、分类
按沟道种类分为：N 沟道HEMT ；P 沟道－高空穴迁移率晶体管（HHMT ） 按工作模式分为：耗尽型（D 型）HEMT--栅压为零时有沟道
增强型（E 型）HEMT--栅压为零时无沟道
2、原理
载流子的迁移率主要受晶格热振动和电离杂质两种散射作用而降低。电离杂质散射是增加载流子浓度和提高载流子迁移率矛盾产生的根源。HEMT 与其它场效应管的主要区别是它包含一个由宽带隙材料（如AlGaAs ）和窄带隙材料（如GaAs ）构成的异质结。在该异质结中掺N 型杂质的宽带隙材料作为电子的提供层向不掺杂窄带隙材料提供大量电子。这些电子积累在由两种材料导带底能量差（ΔE C ）形成的三角形势阱中形成二维电子气（2DEG ）。由于电子脱离了提供它
的宽带隙材料中带正电的施主电离中心进入了不掺杂（无电离杂质散射）窄带隙材料的势阱中，不再受到电离杂质散射作用，而呈现出很高的迁移率。利用这种无杂质散射的二维电子气作为导电沟道，沟道中的电子浓度受到栅电压的调制，
在栅极两侧设置源区和漏区，这种场效应管就是HEMT 。
3、特点
非常高的截止频率f T ；非常高的最大频率f max ；短沟道效应较小；噪声性能好。
4、应用领域
∙
∙
∙
∙
∙
∙ 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
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。栅电压可以改变三角形势阱的深度和宽度，从
而可以改变2－DEG 的浓度，所以能控制HEMT 的漏
极电流。
由于2－DEG 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。
图5-2 GaAs HEMT中2-DEG
AlGaAs 隔离层制作
在低温工作时，由于晶格振动减弱，则n 型AlGaAs 层中的电离杂质中心对紧邻的2－
DEG 的Coulomb 散射将成为提高迁移率的主要障碍。为完全隔离杂质中心与2－DEG ，往往在n 型AlGaAs 层与GaAs 层之间设置一厚度约10nm 的未掺AlGaAs 隔离层，见图5-3（a ）。当隔离层厚度大于7nm 时，杂质中心的Coulomb 散射即不再是限制电子迁移率的主要因素，见图5-3（b ），而这时其他散射如界面散射影响将成为重要因素。隔离层厚度太大又会导致2-DEG 面密度下降和源漏串联电阻增加等，所以隔离层厚度一般取7－10nm 。
图5-3 （a ）HEMT 中电离杂质隔离层结构图 （b ）隔离层厚度与电子迁移率关系
AlGaAs 层厚度的选择
从减小串联电阻来讲，AlGaAs 越薄串联电阻越小；从器件工作来看，这层应当完全耗尽，否则在该层出现寄生沟道会使器件特性严重退化。从器件工作模式方面考虑，耗尽型HEMT 中这一层的厚度需要大一些，相反，对增强型HEMT 应薄些。对耗尽型HEMT ，AlGaAs 层的理想厚度应当是使栅肖特基势垒的边界与提供2－DEG 而形成的势垒区的边界正好相重叠，通常取35－60nm
AlGaAs 中含Al 量 x 的选择
提高 x 将使该层材料的禁带宽度增大，导致异质结的导带突变量△EC 增大，从而引起2－DEG 的浓度增加，可以减小源/栅寄生电阻、提高高频性能。但是，当Al 组分x 较大时，该晶体的表面质量将下降（缺陷增加），这会给工艺带来很多困难，一般取x ＝0.3。
n-AlGaAs 层掺杂浓度
从增大2－DEG 浓度和提高器件的跨导来讲，应当越高越好；但如果掺杂浓度高于 2×1018cm -3，在其上要获得非隧道肖特基势垒将很困难，限制了最高的掺杂浓度。
HEMT 材料的改进
（1）缓变调制A1GaAs 层。为了消除n-GaAs ／n-A1GaAs 层界面处的导带不连续性，降低界面电阻，在n-GaAs 下生长一层Al 组分从0变至x 的A1GaAs 层，厚度比较薄(10-20nm)，再接上掺杂的A1组分为x 的AlGaAs 层。（2）平面掺杂A1GaAs 层。为了克服肖特基势垒击穿低的缺点，在生长完隔离层以后，生长一层高浓度掺杂的薄层，浓度在1019cm-3以上，厚度为2～4nm ，这层A1GaAs 又叫平面掺杂层或δ掺杂层．接着再生长不掺杂或低掺杂的AlGaAs 层与栅金属接触。
5.2 HEMT 基本特性
二维电子气浓度和栅极电压的关系
AlGaAs/GaAs界面形成的三角形势阱的深度受到加在栅极上的电压V G 控制，故2-DEG 的浓度(面密度) 将受V G 控制 εn s ≈(V G +V off ) 根据电荷控制模型2-DEG 浓度n s 与V G 关系为: q (d +∆d )
其中ε为AlGaAs 的介电常数，d 为该层厚度，V T 为HEMT 的阈值电压，△d 为2-DEG 的有效厚度。
图5-4 2-DEG与栅极电压关系
I-V 特性
强电场下工作的耗尽型HEMT 和增强型HEMT
都呈现出平方规律的饱和特性。
图 5-5 HEMT 漏极电流I D 和漏极电压V DS 关系
5.3 赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)
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。实验表明：对掺硅的AlxGa1－xAs ，当x
为InGaAs 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 。（见图5-6）
图 5-6 PHEMT的基本结构及其能带图
PHEMT 较之常规HEMT 有以下优点：
(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7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-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。
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1μm 栅长的器件，在300K 和77K 下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。（见图5-7）
图 5-7 双调制掺杂PHEMT 能带图
本章小节
掌握HEMT 基本结构*
了解HEMT 器件的工作机理
为提高常规HEMT 性能，对材料结构做了哪些改进*
掌握PHEMT 材料结构，与常规HEMT 相比有什么特点*
HEMT-高电子迁移率晶体管
词名：HEMT
中文解释：高电子迁移率晶体管
常用别名：High-electron-mobility transistor；high electron mobility transistor
缩写：HEMT
来历：high-electron mobility transistor
概 述
一种异质结场效应晶体管，为MESFE 的变型。此术语由富士通(Fujitsu)公司提出。高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯以及天文观测。
高电子迁移率晶体管也称调制掺杂场效应管（MODFET ），又称二维电子气场效应管（2DEGFET ），它是利用调制掺杂方法，在异质结界面形成的三角形势阱中的二维电子气作为沟道的场效应晶体管，简称HEMT 。
1、分类
按沟道种类分为：N 沟道HEMT ；P 沟道－高空穴迁移率晶体管（HHMT ） 按工作模式分为：耗尽型（D 型）HEMT--栅压为零时有沟道
增强型（E 型）HEMT--栅压为零时无沟道
2、原理
载流子的迁移率主要受晶格热振动和电离杂质两种散射作用而降低。电离杂质散射是增加载流子浓度和提高载流子迁移率矛盾产生的根源。HEMT 与其它场效应管的主要区别是它包含一个由宽带隙材料（如AlGaAs ）和窄带隙材料（如GaAs ）构成的异质结。在该异质结中掺N 型杂质的宽带隙材料作为电子的提供层向不掺杂窄带隙材料提供大量电子。这些电子积累在由两种材料导带底能量差（ΔE C ）形成的三角形势阱中形成二维电子气（2DEG ）。由于电子脱离了提供它
的宽带隙材料中带正电的施主电离中心进入了不掺杂（无电离杂质散射）窄带隙材料的势阱中，不再受到电离杂质散射作用，而呈现出很高的迁移率。利用这种无杂质散射的二维电子气作为导电沟道，沟道中的电子浓度受到栅电压的调制，
在栅极两侧设置源区和漏区，这种场效应管就是HEMT 。
3、特点
非常高的截止频率f T ；非常高的最大频率f max ；短沟道效应较小；噪声性能好。
4、应用领域
∙
∙
∙
∙
∙
∙ 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