二维电子气与HEMT器件

二维电子气与HEMT器件

自从进入信息时代，人们对信息传输速度的追求脚步就从未停止。而材料科学研究的飞速发展使人们已经能够制造出许多崭新的材料，使器件达到了前所未有的水平，这就使得信息传输速度不断提升。随着半导体异质结的研究趋于成熟，许多异质结的优良特性又一次提高了器件的水平。两种材料禁带宽度的不同以及其他特性的不同使异质结具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计上将得到某些同质结不能实现的功能。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。我们这里介绍的就是利用异质结的特性，制作出的超高速器件HEMT。

一、二维电子气的形成

有许多方法可以制造异质层结构，例如人们熟悉的MOS结构的制造技术。近年来，二维限制系统主要研究对象是化合物半导体异质结构中的二维电子气（Two Dimensional Gas, 2DEG）系统。2DEG的大部分研究工作是以GaAs/AlGaAs异质结构为基础的。在GaAs与AlGaAs的界面处形成薄的导电2DEG层。为了了解这个导电层是怎么形成的，考虑沿z方向（导电层所在的平面为x、y方向）的导带和价带的形状。两个能隙宽度不同的半导体材料刚开始接触时，宽带隙材料的费米能级高于窄带隙材料的费米能级。结果电子从宽带隙材料中溢出，使其仅剩下正电荷，即施主离子。这些空间电荷产生静电势，它将引起界面能带弯曲。平衡以后不同材料的费米能级相等。电子的密度在界面处有一个尖锐的峰（在那里电子的费米能级进入导带中），形成一个薄的导电层，通常被称为二维电子气。在2DEG中，典型的电子浓度范围为2×1011/cm2~2×1012/cm2。这种结构在实际技术上的重要性是可以制造场效应晶体管等高迁移率电子器件，如HEMT器件。

图1 异质结二维电子气的形成

上述异质结结构与硅MOSFET对比，相当于GaAs代替了Si。宽带隙AlGaAs代替了热氧化生成的SiO2。实际上，也有许多富有启发性的二维限制系统的研究工作是基于硅MOSFET。

图2 硅MOSFET中的二维电子气

二、GaAs-AlGaAs异质结二维电子气的性能

1978年首次报道了分子束外延（MBE）调制掺杂的GaAs-AlGaAs超晶格结构中的迁移率增强行为。在超晶格机构中包含交替的GaAs和AlGaAs层，具有较高能隙的AlGaAs中的电子转移到能隙较小的未掺杂的GaAs中来，因而电子和母体施主杂质的电离中心分离了。由于GaAs的晶格常数和AlGaAs的晶格常数很接近，晶格的失配很小，因而不会引起很多的界面态。在分子束外延的条件下这一界面很陡很平整。

在低温下，异质结界面组分的突变，在界面处产生势阱，电子在势阱中和反型层硅MOSFET界面中一样也形成了量子化的束缚次能带，在z方向的运动受到束缚。势阱的深度和次能带的位置完全是由AlGaAs中掺杂浓度决定的。这就形成了GaAs-AlGaAs中的二维电子气。

载流子在超晶格中的输运特性部分是和硅反型层中控制电子迁移率的相同机构所控制的。重要的区别是因为构成超晶格的多数材料是极性的，它增强了声子散射的作用。由于电子和它的体施主中心在空间的分离，使电子所受的库伦散射大为减弱，因而使迁移率提高，如果在电子和离子之间加一层未掺杂的缓冲层，则迁移率还可以进一步提高。异质结界面的电子迁移率明显地高于硅反型层的电子迁移率。此外，GaAs中电子迁移率高的另一个原因是电子有效质量小。

三、二维电子气的应用

二维电子气研究领域中一些独特的物理特性可应用于新器件的研制，近年来比较成功地是利用GaAs-AlGaAs异质结的迁移率增大特性改进场效应管性能，因为提高场效应管频率的通常措施是减小器件尺寸，当栅长减小到亚微米数量级时，沟道中电场强度会高到足以达到速度-电场曲线的饱和区。有些高速大规模集成电路中的场效应管，即使偏压低，工作于常数迁移率区，其特征开关时间也与迁移率成反比，每门消耗的能量与迁移率平方成反比，所以提高频率和速度性能的关键在于物色高迁移率材料，尽管三元化合物InGaAs是一努力方向，但工艺不够成熟，利用调制掺杂GaAs-AlGaAs异质结做沟道的GaAs场效应管同样

可提高迁移率。新结构除了分子束外延全套成熟的MESFET工艺，只是由于GaAs层的不掺杂而减少了沟道中离化杂质散射，提高了迁移率，同时又因为掺杂的AlGaAs层不断地向异质结界面GaAs势阱中输送电子，传到电流的有效电子数并不减少，还可夹入一层薄的不掺杂AlGaAs隔离层进一步加强这种离化施主和电子的空间分隔作用，使迁移率进一步提高，特别在低温下，影响迁移率的主要原因——杂质散射被有效消除，效果就更明显。法国汤姆逊公司研制的噪声二维电子气MESFET目前已达到水平为：10GHz下噪声系数NF≈2.3dB，最大增益Gmax=132dB。日本富士通公司用类似结构制成高电子迁移率晶体管（HEMT），在300K和77K下的电子迁移率比典型掺杂GaAs场效应管所对应的值分别高出30%和5倍。转移电导在77K下为通常GaAs场效应管值得3倍多。

由于这种新结构的FET在逻辑集成电路中具有速度快、功耗低等优点，所用工艺与双异质结激光器相近，将来有可能发展GaAs集成电路与激光器集成而具有崭新功能。此外，MOS结构在强场下各分裂次带间的跃迁可引起远红外辐射，分裂后的次带裂距为5~50meV数量级，对应的波长在25~250μm范围，可通过栅压连续调节的远红外发射器和检测器在军事上很有实用意义。

其它二维电子气的特性如压阻效应、负阻效应等，都已经用于实现新型控制器件，但实用上都还有一些问题要解决。

四、HEMT器件简介

HEMT（High Electron Mobility Transistor），高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，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工作于超高频、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的前面所介绍的二维电子气来工作的。

在信息技术和微电子行业高速发展的今天，微波晶体管作为最重要的半导体器件之一，在许多方面都起着至关重要的作用。随着无线通信市场的发展，3G网络的兴起，对微波晶体管性能的要求则越来越高。在航天领域，需要半导体器件能在高温高压辐射等恶劣条件下稳定工作；在无线通信方面，要求放大器要能在更高的频率和更高的功率下稳定工作；在因特网的无线宽带通信方面，对不断提高的数据传输速度的需求，对微波晶体管也提出了同样的要求。HEMT器件的问世对上述问题有着很重要的意义。

HEMT器件的结构如图3所示，这是以GaAs-AlGaAs异质结为基础做的HEMT器件。它是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs-AlGaAs异质结中的2DEG的浓度实现控制电流的。栅电压可以改变势阱的深度和宽度，从而可以改变2DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏极电流。由于2DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上时分离的，则不受电离杂质散射的影响，所以迁移率很高。

HEMT是电压控制器件，栅极电压可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于GaAs体系的HEMT，通常其中的AlGaAs控制层应该是耗尽的。若AlGaAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在栅压等于零时就存在有2DEG，为耗尽型器件；反之则为增强型器件。但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高，则工作时就不能耗尽，而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层的厚度和掺杂浓度，特别是厚度。

图3 HEMT的结构

为了实现晶体管的较大击穿电压和较快电子漂移速度，AlGaN-GaN异质结构就成为这几年研究HEMT器件的热点。AlGaN-GaN异质结构导带偏移较大，而且在异质结界面附近产生很强的自发极化和压电极化，感生出很强的界面电荷和电场，积累起高浓度的二维电子气。由于该二维电子气是由势垒层中的电子转移而来，实现掺杂原子与载流子在空间上的分离，减弱了二者的库伦作用（即杂质散射），显著提高了电子迁移率。而GaN材料宽禁带、高导热率的特性决定了AlGaN-GaN HEMT可以有更高的输出功率和击穿电压，承受更高的工作结温。因此，AlGaN-GaN成为微波大功率器件的重要发展方向之一。

五、结束语

HEMT器件是对异质结中的二维电子气的最好的应用之一，随着微波技术和无线通讯市场的告诉发展，对微波功率放大器的性能提出了更高的要求。以宽禁带半导体材料GaN为基础的AlGaN-GaN HEMT因其在高频、高输出功率密度、高输入阻抗等多方面的应用潜能受到人们的青睐。AlGaN-GaN在材料生长、器件结构和制作工艺等多方面已经取得了突破性进展。必将推动异质结二维电子气更广泛的应用。

参考文献

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