二維電子氣與HEMT器件

1、二維電子氣與HEMT器件自從進入信息時代，人們對信息傳輸速度的追求腳步就從未停止。而材料科學研究的飛速發(fā)展使人們已經(jīng)能夠制造出許多嶄新的材料，使器件達到了前所未有的水平，這就使得信息傳輸速度不斷提升。隨著半導體異質(zhì)結(jié)的研究趨于成熟,許多異質(zhì)結(jié)的優(yōu)良特性又一次提高了器件的水平。兩種材料禁帶寬度的不同以及其他特性的不同使異質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒有的特性，在器件設計上將得到某些同質(zhì)結(jié)不能實現(xiàn)的功能。異質(zhì)結(jié)常具有兩種半導體各自的PN結(jié)都不能達到的優(yōu)良的光電特性，使它適宜于制作超高速開關(guān)器件、太陽能電池以及半導體激光器等。我們這里介紹的就是利用異質(zhì)結(jié)的特性，制作出的超高速器件HEMT。一、二維電子氣的

2、形成有許多方法可以制造異質(zhì)層結(jié)構(gòu)，例如人們熟悉的MOS結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。近年來，二維限制系統(tǒng)主要研究對象是化合物半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣（TwoDimensionalGas,2DEG）系統(tǒng)。2DEG的大部分研究工作是以GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎的。在GaAs與AlGaAs的界面處形成薄的導電2DEG層。為了了解這個導電層是怎么形成的，考慮沿z方向（導電層所在的平面為x、y方向）的導帶和價帶的形狀。兩個能隙寬度不同的半導體材料剛開始接觸時，寬帶隙材料的費米能級高于窄帶隙材料的費米能級。結(jié)果電子從寬帶隙材料中溢出，使其僅剩下正電荷，即施主離子。這些空間電荷產(chǎn)生靜電勢，它將引起界面能帶彎

3、曲。平衡以后不同材料的費米能級相等。電子的密度在界面處有一個尖銳的峰（在那里電子的費米能級進入導帶中），形成一個薄的導電層，通常被稱為二維電子氣。在2DEG中，典型的電子濃度范圍為2X1011/cm22X10i2/cm2。這種結(jié)構(gòu)在實際技術(shù)上的重要性是可以制造場效應晶體管等高遷移率電子器件，如HEMT器件。金爛優(yōu)mir-iriaHiaraminrra?bi溝道無錫雜的3朋圖1異質(zhì)結(jié)二維電子氣的形成上述異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與硅MOSFET對比,相當于GaAs代替了Si。寬帶隙AlGaAs代替了熱氧化生成的SiO2。實際上，也有許多富有啟發(fā)性的二維限制系統(tǒng)的研究工作是基于硅MOSFEToGateSource

4、DrainOO2DEGBody圖2硅MOSFET中的二維電子氣二、GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)二維電子氣的性能1978年首次報道了分子束外延（MBE）調(diào)制摻雜的GaAs-AlGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的遷移率增強行為。在超晶格機構(gòu)中包含交替的GaAs和AlGaAs層，具有較高能隙的AlGaAs中的電子轉(zhuǎn)移到能隙較小的未摻雜的GaAs中來，因而電子和母體施主雜質(zhì)的電離中心分離了。由于GaAs的晶格常數(shù)和AlGaAs的晶格常數(shù)很接近，晶格的失配很小，因而不會引起很多的界面態(tài)。在分子束外延的條件下這一界面很陡很平整。在低溫下，異質(zhì)結(jié)界面組分的突變，在界面處產(chǎn)生勢阱，電子在勢阱中和反型層硅MOSFET界面中

5、一樣也形成了量子化的束縛次能帶，在z方向的運動受到束縛。勢阱的深度和次能帶的位置完全是由AlGaAs中摻雜濃度決定的。這就形成了GaAs-AlGaAs中的二維電子氣。載流子在超晶格中的輸運特性部分是和硅反型層中控制電子遷移率的相同機構(gòu)所控制的。重要的區(qū)別是因為構(gòu)成超晶格的多數(shù)材料是極性的，它增強了聲子散射的作用。由于電子和它的體施主中心在空間的分離，使電子所受的庫倫散射大為減弱，因而使遷移率提高，如果在電子和離子之間加一層未摻雜的緩沖層，則遷移率還可以進一步提高。異質(zhì)結(jié)界面的電子遷移率明顯地高于硅反型層的電子遷移率。此外，GaAs中電子遷移率高的另一個原因是電子有效質(zhì)量小。三、二維電子氣的應用

6、二維電子氣研究領域中一些獨特的物理特性可應用于新器件的研制，近年來比較成功地是利用GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)的遷移率增大特性改進場效應管性能，因為提高場效應管頻率的通常措施是減小器件尺寸，當柵長減小到亞微米數(shù)量級時，溝道中電場強度會高到足以達到速度-電場曲線的飽和區(qū)。有些高速大規(guī)模集成電路中的場效應管，即使偏壓低，工作于常數(shù)遷移率區(qū)，其特征開關(guān)時間也與遷移率成反比，每門消耗的能量與遷移率平方成反比，所以提高頻率和速度性能的關(guān)鍵在于物色高遷移率材料，盡管三元化合物InGaAs是一努力方向，但工藝不夠成熟，利用調(diào)制摻雜GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)做溝道的GaAs場效應管同樣可提高遷移率。新結(jié)構(gòu)除

7、了分子束外延全套成熟的MESFET工藝，只是由于GaAs層的不摻雜而減少了溝道中離化雜質(zhì)散射，提高了遷移率，同時又因為摻雜的AlGaAs層不斷地向異質(zhì)結(jié)界面GaAs勢阱中輸送電子，傳到電流的有效電子數(shù)并不減少，還可夾入一層薄的不摻雜AlGaAs隔離層進一步加強這種離化施主和電子的空間分隔作用，使遷移率進一步提高，特別在低溫下，影響遷移率的主要原因雜質(zhì)散射被有效消除，效果就更明顯。法國湯姆遜公司研制的噪聲二維電子氣MESFET目前已達到水平為：10GHz下噪聲系數(shù)NF2.3dB，最大增益Gma=132dB。日本富士通公司用類似結(jié)構(gòu)制成高電子遷移率晶體管（HEMT）,max在300K和77K下的電

8、子遷移率比典型摻雜GaAs場效應管所對應的值分別高出30%和5倍。轉(zhuǎn)移電導在77K下為通常GaAs場效應管值得3倍多。由于這種新結(jié)構(gòu)的FET在邏輯集成電路中具有速度快、功耗低等優(yōu)點，所用工藝與雙異質(zhì)結(jié)激光器相近，將來有可能發(fā)展GaAs集成電路與激光器集成而具有嶄新功能。此外，MOS結(jié)構(gòu)在強場下各分裂次帶間的躍遷可引起遠紅外輻射，分裂后的次帶裂距為550meV數(shù)量級，對應的波長在25250口m范圍，可通過柵壓連續(xù)調(diào)節(jié)的遠紅外發(fā)射器和檢測器在軍事上很有實用意義。其它二維電子氣的特性如壓阻效應、負阻效應等，都已經(jīng)用于實現(xiàn)新型控制器件，但實用上都還有一些問題要解決。四、HEMT器件簡介HEMT（Hig

9、hElectronMobilityTransistor），高電子遷移率晶體管是一種異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管（SDHT）等。這種器件及其集成電路都能工作于超高頻、超高速領域，原因就在于它是利用具有很高遷移率的前面所介紹的二維電子氣來工作的。在信息技術(shù)和微電子行業(yè)高速發(fā)展的今天，微波晶體管作為最重要的半導體器件之一，在許多方面都起著至關(guān)重要的作用。隨著無線通信市場的發(fā)展，3G網(wǎng)絡的興起，對微波晶體管性能的要求則越來越高。在航天領域，需要半導體器件能在高溫高壓輻射等惡劣條件下穩(wěn)定工作；在無線通信方

10、面，要求放大器要能在更高的頻率和更高的功率下穩(wěn)定工作；在因特網(wǎng)的無線寬帶通信方面，對不斷提高的數(shù)據(jù)傳輸速度的需求，對微波晶體管也提出了同樣的要求。HEMT器件的問世對上述問題有著很重要的意義。HEMT器件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，這是以GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)為基礎做的HEMT器件。它是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)中的2DEG的濃度實現(xiàn)控制電流的。柵電壓可以改變勢阱的深度和寬度，從而可以改變2DEG的濃度，所以能控制HEMT的漏極電流。由于2DEG與處在AlGaAs層中的雜質(zhì)中心在空間上時分離的，則不受電離雜質(zhì)散射的影響，所以遷移率很高。HEMT是電壓控制器件，柵極電

11、壓可控制異質(zhì)結(jié)勢阱的深度，則可控制勢阱中2DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。對于GaAs體系的HEMT，通常其中的AlGaAs控制層應該是耗盡的。若AlGaAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在柵壓等于零時就存在有2DEG，為耗盡型器件；反之則為增強型器件。但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高，則工作時就不能耗盡，而且還將出現(xiàn)與S-D并聯(lián)的漏電電阻?？傊?，對于HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層的厚度和摻雜濃度，特別是厚度。匕II1：ilS11屯可AD廠iA10葉業(yè)TITJ2-DEGj-GaAs圖3HEMT的結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)晶體管的較大擊穿電壓和較快電子漂移速度，AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)就成為

12、這幾年研究HEMT器件的熱點。AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)導帶偏移較大，而且在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生很強的自發(fā)極化和壓電極化，感生出很強的界面電荷和電場，積累起高濃度的二維電子氣。由于該二維電子氣是由勢壘層中的電子轉(zhuǎn)移而來，實現(xiàn)摻雜原子與載流子在空間上的分離，減弱了二者的庫倫作用(即雜質(zhì)散射)，顯著提高了電子遷移率。而GaN材料寬禁帶、高導熱率的特性決定了AlGaN-GaNHEMT可以有更高的輸出功率和擊穿電壓，承受更高的工作結(jié)溫。因此，AlGaN-GaN成為微波大功率器件的重要發(fā)展方向之一。五、結(jié)束語HEMT器件是對異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣的最好的應用之一，隨著微波技術(shù)和無線通訊市場的告訴發(fā)展，對微波功率放大器的性能提出了更高的要求。以寬禁帶半導體材料GaN為基礎的AlGaN-GaNHEMT因其在高頻、高輸出功率密度、高輸入阻抗等多方面的應用潛能受到人們的青睞。AlGaN-GaN在材料生長、器件結(jié)構(gòu)和制作工藝等多方面已經(jīng)取得了突破性進展。必將推動異質(zhì)結(jié)二維電子氣