HEMT

HEMT (High Electron Mobility Transistor — транзистор с высокой подвижностью электронов) — это полевой транзистор, в котором для создания канала проводимости используется гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещённой зоны. Ключевой особенностью HEMT является формирование двумерного электронного газа (2DEG) на границе раздела материалов, что обеспечивает чрезвычайно высокую подвижность носителей заряда и, как следствие, высокое быстродействие и низкий уровень шума. Приборы этого типа также известны под названиями MODFET (Modulation-Doped Field-Effect Transistor) и HFET (Heterostructure Field-Effect Transistor).

История

Концепция транзистора с модуляцией легирования была впервые предложена в 1978 году японским физиком Такаси Мимурой (Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation). В 1980 году группа исследователей под руководством Мимуры и Хироаки Хиямы (Fujitsu Laboratories) продемонстрировала первый работающий HEMT на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs. Устройство показало рекордные для того времени частотные характеристики — граничная частота усиления (fT) превысила 40 ГГц.

В 1980-х годах развитие технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) позволило создавать высококачественные гетероструктуры, что привело к коммерциализации HEMT. Компания Fujitsu в 1985 году выпустила первые промышленные образцы транзисторов для СВЧ-усилителей. В 1990-х годах началось активное применение HEMT в спутниковой связи, радиолокации и радиоастрономии.

В 2000-х годах значительный прогресс был достигнут в области нитридных HEMT (на основе GaN/AlGaN), которые благодаря широкой запрещённой зоне GaN позволили создавать мощные СВЧ-транзисторы, способные работать при высоких напряжениях и температурах. В 2010-х годах появились HEMT на основе графена и других двумерных материалов, однако их коммерческое применение остаётся ограниченным.

Устройство и принцип работы

Гетеропереход и двумерный электронный газ

Основой HEMT является гетеропереход между двумя полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны (Eg). Наиболее распространённая пара — арсенид галлия (GaAs, Eg ≈ 1.42 эВ) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs, Eg ≈ 1.7–2.0 эВ в зависимости от состава). При контакте этих материалов вблизи границы раздела возникает потенциальная яма, в которой электроны из широкозонного AlGaAs переходят в узкозонный GaAs, образуя слой высокой концентрации, пространственно ограниченный в одном направлении — двумерный электронный газ (2DEG).

Концентрация электронов в 2DEG может достигать 10¹²–10¹³ см⁻², а их подвижность — 10⁵–10⁶ см²/(В·с) при низких температурах. Это на порядок выше, чем в обычных кремниевых МОП-транзисторах.

Структура транзистора

Типичная структура HEMT включает следующие слои (снизу вверх):

• Подложка — полуизолирующий GaAs (или SiC для GaN-HEMT).
• Буферный слой — нелегированный GaAs (или GaN) для улучшения кристаллического качества.
• Канальный слой — нелегированный GaAs (или InGaAs для псевдоморфных HEMT).
• Спейсерный слой — тонкий (2–5 нм) нелегированный AlGaAs, отделяющий 2DEG от легированного слоя.
• Барьерный слой — легированный донорами AlGaAs (толщина 20–50 нм).
• Контактный слой — сильнолегированный GaAs для омических контактов.

На поверхности формируются три электрода:

• Исток (Source) — омический контакт к 2DEG.
• Сток (Drain) — омический контакт к 2DEG.
• Затвор (Gate) — выпрямляющий контакт Шоттки (металл-полупроводник) или изолированный затвор (MIS-HEMT).

Принцип действия

Управление током в HEMT осуществляется изменением напряжения на затворе. При подаче отрицательного напряжения (для n-канального HEMT) обедняется область 2DEG под затвором, что уменьшает проводимость канала. При положительном напряжении — канал обогащается электронами. Ток стока (ID) пропорционален напряжению на затворе (VGS) и напряжению сток-исток (VDS), что позволяет использовать HEMT как усилительный элемент.

Классификация

По материалу гетероструктуры

• GaAs-HEMT — классические транзисторы на основе GaAs/AlGaAs. Рабочие частоты до 100 ГГц. Применяются в малошумящих усилителях (МШУ) и СВЧ-генераторах.
• InP-HEMT — на основе InP/InGaAs. Обеспечивают максимальное быстродействие (fT > 600 ГГц). Используются в терагерцовой электронике.
• GaN-HEMT — на основе GaN/AlGaN. Отличаются высокой мощностью (до сотен ватт) и термостойкостью. Применяются в силовой электронике и базовых станциях.
• SiGe-HEMT — на основе кремний-германиевых гетероструктур. Интегрируются с кремниевой КМОП-технологией.

По типу затвора

• Schottky-gate HEMT — с затвором Шоттки (металл-полупроводник). Простейший тип, но имеет ограниченный диапазон напряжений.
• MIS-HEMT — с изолированным затвором (Metal-Insulator-Semiconductor). Использует диэлектрик (например, Si₃N₄ или Al₂O₃) для снижения токов утечки.
• p-HEMT — с p-легированным затвором (для GaN-структур). Обеспечивает нормально-закрытый режим (enhancement-mode).

По режиму работы

• Нормально-открытые (depletion-mode) — проводят ток при нулевом напряжении на затворе. Требуют отрицательного смещения для запирания.
• Нормально-закрытые (enhancement-mode) — запираются при нулевом напряжении. Удобнее для силовой электроники, так как исключают случайное включение.

Характеристики

Частотные параметры

• Граничная частота усиления (fT) — частота, при которой коэффициент усиления по току падает до 1. Для современных InP-HEMT превышает 600 ГГц.
• Максимальная частота генерации (fmax) — частота, при которой коэффициент усиления по мощности падает до 1. Достигает 1 ТГц для лабораторных образцов.
• Коэффициент шума (NF) — для GaAs-HEMT составляет 0.1–0.5 дБ в диапазоне 1–10 ГГц, что делает их идеальными для МШУ.

Мощностные параметры

• Удельная мощность — для GaN-HEMT достигает 5–10 Вт/мм ширины затвора.
• Напряжение пробоя — для GaN-HEMT составляет 100–1000 В в зависимости от конструкции.
• Температура эксплуатации — GaN-HEMT работают до 300–400 °C, GaAs-HEMT — до 150–200 °C.

Применение

СВЧ-электроника

HEMT являются основой большинства современных малошумящих усилителей (МШУ) для приёмных систем спутниковой связи, радиолокации и радиоастрономии. Благодаря низкому коэффициенту шума они используются в радиотелескопах (например, ALMA, «Спектр-Р»). В передающих трактах HEMT применяются в усилителях мощности для базовых станций 5G и спутниковых транспондеров.

Силовая электроника

GaN-HEMT активно вытесняют кремниевые MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания, преобразователях напряжения и инверторах для электромобилей. Их преимущества — высокий КПД (до 98%), малые габариты и возможность работы на частотах до 10 МГц.

Цифровая электроника

HEMT на основе InP используются в сверхбыстродействующих логических схемах (например, в делителях частоты и мультиплексорах для оптических линий связи со скоростью 100 Гбит/с и выше). Однако высокая стоимость и сложность интеграции ограничивают их применение в массовой цифровой электронике.

Сенсорика

GaN-HEMT применяются в датчиках газов (например, водорода и аммиака) и биосенсорах благодаря высокой чувствительности 2DEG к изменениям поверхностного потенциала.

Производство

Основные технологии изготовления HEMT:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — позволяет выращивать сверхтонкие (единицы нанометров) слои с атомарной точностью. Используется для InP-HEMT и лабораторных образцов.
• Металлоорганическая газофазная эпитаксия (МОГФЭ) — более производительна, применяется для GaN-HEMT в промышленных масштабах.
• Литография — для формирования затворов с длиной 20–100 нм используется электронно-лучевая литография.

Ключевые производители HEMT: Fujitsu, Mitsubishi Electric, Cree (Wolfspeed), Qorvo, MACOM, Sumitomo Electric, а также российские НПП «Пульсар» и АО «НИИЭТ».

Ограничения и недостатки

• Сложность и стоимость — эпитаксиальное выращивание гетероструктур и нанолитография требуют дорогостоящего оборудования.
• Температурная зависимость — подвижность электронов в 2DEG снижается при повышении температуры, что ухудшает характеристики.
• Эффекты саморазогрева — в мощных GaN-HEMT локальный перегрев может приводить к деградации параметров.
• Ток утечки — через затвор Шоттки при высоких напряжениях может быть значительным.
• Радиационная стойкость — GaAs-HEMT чувствительны к нейтронному и гамма-излучению, что ограничивает их применение в космосе без дополнительной защиты.

Перспективы развития

Современные направления исследований включают:

• HEMT на двумерных материалах — графен, MoS₂, WS₂. Потенциально позволяют создавать гибкие и прозрачные транзисторы.
• Терагерцовые HEMT — с рабочей частотой выше 1 ТГц для систем безопасности и спектроскопии.
• Интеграция с кремниевой КМОП — гетероэпитаксия GaN на Si для создания монолитных СВЧ-микросхем.
• Транзисторы с вертикальным каналом — для увеличения плотности мощности и улучшения теплоотвода.

Источники

• Mimura T. The early history of the high electron mobility transistor (HEMT) // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2002. — Vol. 50, No. 3. — P. 780–782.
• Del Alamo J. A. Nanometre-scale electronics with III–V compound semiconductors // Nature. — 2011. — Vol. 479. — P. 317–323.
• Mishra U. K., Parikh P., Wu Y. F. AlGaN/GaN HEMTs — an overview of device operation and applications // Proceedings of the IEEE. — 2002. — Vol. 90, No. 6. — P. 1022–1031.
• Schwierz F. Graphene transistors: status, prospects, and problems // Proceedings of the IEEE. — 2013. — Vol. 101, No. 7. — P. 1567–1584.
• Абрамов И. И., Гололобов Г. П. Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT): физика, технология, применение. — М.: Радиотехника, 2018. — 320 с.