HEMT终稿

高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor）报告人：李奉南成员:李晓楠李奉南何康闫杨娇王进军Contents•HEMT发展历程及概述•二维电子气模型•异质结简介•HEMT工作原理•应用与前景HEMT发展历程1960年，安德森(Anderson)预言在异质结界面存在有电子的积累1969年，Easki和Tsu提出在禁带宽度不同的异质结结构中，离化的施主和自由电子是分离的。这减少了母体对电子的库仑作用，提高了电子迁移率。HEMT发展历程1978年，Dingle在调制掺杂的异质材料中观察到了载流子迁移率增高的现象。随后，在调制掺杂GaAs／n-AlGaAs单异质结结构的实验中，证明了异质界面存在着具有二维行为的电子气(2-DEG)，而且有高的迁移率．1980年,一种新调制掺杂GaAs/n—AlxGa1-xAs异质结构场效应管，即所谓高电子迁移率晶体管(HEMT)问世．HEMT概述在通常的mos器件中，沟道区是对体掺杂而形成的，多数载流子与电离杂质共同存在。多数载流子受电离杂质散射，从而使载流子迁移率减小，器件性能降低。我们可以考虑将多数载流子从电离了的杂质中分离出来从而避免迁移率减小。HEMT概述高电子迁移率晶体管HEMT是利用调制掺杂方法，将在异质结界面形成的三角形势阱中的2-DEG作为沟道的场效应晶体管。因为载流子与杂质在空间上实现了分离不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。HEMT是正是利用具有很高电子迁移率所谓二维电子气来导电的。图1.HEMT结构示意图二维电子气模型2.1二维电子气(2DEG)概念如果三维固体中电子在某一个方向上的运动受到阻挡，被局限于一个很小的范围内,那么,电子就只能在另外两个方向上自由运动,这种具有两个自由度的电子就称为二维电子气（2-DEG）。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，即形成了（2-DEG）。特点：电子（或空穴）在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制。二维电子气模型在MOS结构中，半导体表面反型层中的电子可看成是典型的二维电子气。反型层中的电子在垂直于层面方向被限制在一个小于100Å的尺度内运动，而在平行于层面方向可以自由地运动。2.2典型的二维电子气(2DEG)图2.反型层中的2-DEG结构二维电子气模型2.3二维电子气(2DEG)的能量状态垂直于表面（Z方向）势阱宽度很小，能量发生量子化平行于表面（X、Y方向），电子运动几乎是自由的，则22*2,0,1,2...8ZnzhEnnmL,,0,1,2...nXYZnEEEn图3.表面反型层中势阱中的波函数二维电子气模型2.3二维电子气(2DEG)的能量状态反型层中的电子受Z方向量子效应的影响，电子浓度的分布随离开表面的距离而增加，然后又减小。紧靠表面处的电子浓度为零。图4.电子浓度随离开表面距离的关系异质结3.1异质结简介两种不同禁带宽度的半导体接触以后，由于费米能级不同而产生电荷的转移，直到将费米能级拉平。电子和空穴的转移形成空间电荷区，内建电场的作用使能带发生弯曲；因禁带宽度不同，而产生了尖峰。图5.未组成异质结前半导体能带图图6.理想pN突变异质结的能带图异质结3.1异质结简介异质结的分类：反型异质结导电类型相反的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如p型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。同型异质结导电类型相同的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如n型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。异质结的其它分类方法：突变异质结从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（）。缓变异质结过渡发生于几个扩散长度范围内。1m异质结3.2异质结的能带图异质结势垒在界面两侧呈抛物线状，但是在界面处能带不连续，宽禁带一侧出现尖峰，窄禁带一侧出现能谷。下图为理想异质结的情况。异质结3.2异质结的能带图尖峰的位置处于势垒上的什么部位由两边材料的相对掺杂浓度所决定。（a）宽带掺杂浓度比窄带低得多，势垒主要落在宽带区；（b）两边掺杂浓度差不多多，尖峰不露出p区的导带底；（c）宽带掺杂浓度比窄带高得多，尖峰靠近势垒的根部。HEMT工作原理4.1HEMT基本结构图8.常规HEMT的基本结构在GaAs（SI-GaAs）衬底上连续生长高纯GaAs层、n型AlGaAs层和n型GaAs层。AlGaAs层通常称为控制层，它与金属栅极形成肖特基势垒，与GaAs层形成异质结。在宽禁带的AlGaAs层中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层中不掺杂。HEMT工作原理4.1HEMT基本结构图9.HEMT的基本结构设计HEMT时，需要考虑N型AlxGa1-xAs层的厚度和组分x的值。从减小串联电阻的角度来分析，这层的厚度是越小越好，但是最小厚度是由器件的工作模式来决定。对于耗尽型HEMT，通常该层35-60nm。提高AlxGa1-xAs的含量x，会使得该层禁带宽度增大，导致导带突变量△Ec增大，从而导致2-DEG浓度变大，但是当x太大时，该晶体缺陷增大，呈现雾状，从而使得表面质量下降，会给工艺带来困难。一般取x=0.3HEMT工作原理4.2HEMT工作原理这里AlGaAs/GaAs是一个调制掺杂异质结，在其界面、本征GaAs一边处，就构成一个电子势阱,势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），电子在势阱中不遭受电离杂质散射，因而迁移率很高。通过改变栅压可以改变势阱的深度和宽度，从而改变2-DEG的浓度，实现对HEMT漏极电流的控制。图10.HEMT中的2-DEGHEMT工作原理4.2HEMT工作原理金属栅极与AlGaAs层形成肖特基势垒，n型的AlGaAs费米能级高于栅极金属，电子从半导体流向金属，AlGaAs形成空间电荷区。图11.理想的金属与AlGaAs结的能带图HEMT工作原理4.2HEMT工作原理n型的AlGaAs层分别与金属栅极形成肖特基势垒，与GaAs层形成异质结。两者的空间电荷区边界相接，从而使栅极下的AlGaAs层全耗尽。图12.平衡情况下HEMT能带图HEMT工作原理4.2HEMT工作原理如果没有全耗尽，会在AlGaAs层出现寄生沟道，形成附加电导，将会使器件特性严重退化。图13.HEMT工作原理4.2HEMT工作原理低温下晶格振动较弱，电离杂质散射起主导作用。为了隔开杂质中心与2-DEG，往往设置一层适度厚度的隔离层—未掺杂的AlGaAs层。图14.HEMT结构图15.电子迁移率随隔离层厚度的关系厚度太薄时起不到隔离的效果，但是隔离层厚度大于7nm时，杂质中心的库伦散射就不再是限制电子迁移率的主要因素。这时其它散射比如界面散射的影响将成为主要因素。厚度也不能太大，如果太厚，将使2-DEG的面密度下降，源漏串联电阻增加等。故一般取7-10nm图17.2-DEG电子迁移率与隔离层厚度d的理论计算曲线一方面，当隔离层厚度从零逐渐增大时，远程电离杂质对2-DEG电子散射作用逐渐减小，迁移率增大；另一方面，隔离层厚度的增大会导致2-DEG浓度减小，使2-DEG对本底电离杂质和远程电离杂质散射的屏蔽作用减小；当隔离层厚度达到这两种因素的作用相等时，迁移率达到最大值，隔离层厚度继续增大，2-DEG的电子迁移率减小。隔离层厚度d与2-DEG电子迁移率的关系隔离层厚度d与2-DEG浓度的关系随着隔离层厚度的增加，2-DEG浓度Ns减小。对于相同的隔离层厚度，NS的大小与Al组分x相关，可看到当x=0.4时，NS最小。X=0.3-0.35时，Ns最高。这个结果与实验规律是一致的。图16.2-DEG浓度Ns与隔离层厚度d理论计算曲线HEMT工作原理4.3HEMT基本特性理论计算得出2-DEG浓度ni与栅压的关系为：对HEMT进行霍尔效应测量，发现ni与VG基本上成正比。()(80)iGoffnVVqd图18.2-DEG浓度与栅压的关系HEMT工作原理4.3HEMT基本特性右图为AlGaAs层厚度为70nm，并计入源漏寄生电阻的理论伏安特性曲线（虚线是计算结果，实线是测量结果）。理论计算为：2200[()]2nGDSDSGSGnGCWIIVLCW2DSGSIV图19.耗尽型HEMT伏安曲线HEMT工作原理4.4HEMT中2-DEG的迁移率被封闭在超薄层中的2-DEG受到的散射机制有：声子散射杂质散射界面凹凸性低温时，主要是杂质散射和界面的凹凸性散射；室温时，以声子散射为主。HEMT工作原理4.4HEMT中2-DEG的迁移率图。表面反型层中电子迁移率与电子面密度在低温下的关系HEMT工作原理4.4HEMT中2-DEG的迁移率材料300K下电子迁移率77K下电子迁移率较纯Si掺杂SiHEMT-2DEG1350100~10004510~102310~10181010MOSFET中沟道电子受到电离杂质的散射，电子迁移率要比HEMT的2-DEG低得多；尤其是在低温、低电场情况下，HEMT的2-DEG有特别高的电子迁移率。3410~10HEMT工作原理4.4HEMT中2-DEG的迁移率由于，右图曲线的斜率即为该场强下的电子迁移率。在低电场下，2-DEG的电子迁移率高于3-DEG。高场强时，漂移速度饱和，迁移率退化。dnvE图。2-DEG和3-DEG电子迁移率随栅压的变化比较HEMT工作原理4.4HEMT中2-DEG的迁移率随着温度的升高，2-DEG的迁移率迅速下降。低温时，随着电场的加强，电子迁移率下降得很快。前者是由于温度升高声子散射加剧；后者是由于“热电子”的作用。HEMT工作原理4.5GaN基HEMT因GaN材料的独特性能,AlGaN/GaNHEMT显露出优良的器件特性,使其在大功率、高频率领域具有广阔的应用前景。有别于AlGaAs/GaAs，GaN基异质结结构的最主要特点是极化效应。当没有外加电场时，总极化场为:自发极化:压电极化SPPPEPHEMT工作原理4.5GaN基HEMT即使势垒层非故意掺杂，在异质结界面处也可获得的二维电子气。13102cm2-DEG浓度计算：根据E.T.Yu，无掺杂时其中d为AlGaN势垒层厚度，是门接触的肖特基势垒，是位于导带下的费米能级，是AlGaN/GaN异质结界面的导带差。beFFEcEDHEMT工作原理4.5GaN基HEMT主要工艺：1.在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间插入一层很薄的AlN层（缓冲层），防止电子向AlGaN层渗透。2.钝化处理。通过钝化工艺减少表面态,抑制电流崩塌效应,可提高器件性能。3.栅结构设计：T栅，板栅等。。HEMT工作原理4.6GaNHEMT的性能参数gt1TgdsdccsatLL{2[C(RR)]}V-+D=p+++tfTmax1gchs2TgdgdsRRR2(2CR)R=+++pfff是指器件的短路电流增益降为1时的工作频率,而是指器件的单向功率增益降为1时的工作频率。实际上二者反映的是此器件能够提供电流放大和功率放大的最高工作频率。maxfTfHEMT工作原理4.6GaNHEMT的性能参数GaN基HEMT的最大输出功率密度的计算公式如下：DS,maxbreakdownknee1PI(VV)8=-其中，为2-DEG的浓度，为饱和漂移速度。2-DEG的浓度对HEMT的输出功率起决定性作用。=sSatJnqvsnSatvHEMT工作原理4.7GaNHEMT的主要问题电流崩塌效应：1.当GaN基当器件源漏电压较高时，器件的输出电流大大减小，这个现象被称为强场电流崩塌效应。2.射频信号下器件的输出功率明显减小。主要原因：体陷阱和表面态消耗沟道中的2-DEGHEMT的应用与进展5.1超高频（毫米波）、超高速、高稳定性领域从输出功率和频率的角度，非常适合无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率应用。GaNHEMT将覆盖2-40GHz频段内的无线通讯。从化学稳定性和热稳定性的角度，在航空航天、核工业、军用电子得到广泛应用。HEMT的应用与进展5.3GaNHEMT进展HEM