Транзистор с высокой подвижностью электронов¶

Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT, от англ. High Electron Mobility Transistor) — это полевой транзистор, в котором для создания токопроводящего канала используется гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещённой зоны. Ключевой особенностью HEMT является формирование двумерного электронного газа (2DEG) на границе раздела, что обеспечивает значительно более высокую подвижность носителей заряда по сравнению с обычными полевыми транзисторами (например, МОП-транзисторами). Благодаря этому HEMT способны работать на сверхвысоких частотах (до сотен гигагерц) и при высоких мощностях, что делает их незаменимыми в радиочастотной и силовой электронике.

¶История

Концепция транзистора с высокой подвижностью электронов была предложена в 1979 году японским физиком Такаси Мимурой и его коллегами из лаборатории Fujitsu Laboratories. Первоначально устройство называлось «транзистор на селективно легированном гетеропереходе» (SDHT). В 1980 году был создан первый работающий HEMT на основе гетероперехода арсенид галлия (GaAs) и арсенида галлия-алюминия (AlGaAs). Разработка стала возможной благодаря достижениям в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать сверхтонкие слои полупроводников с точностью до атомного монослоя.

В 1980-х годах HEMT быстро вытеснили традиционные полевые транзисторы на арсениде галлия (MESFET) в высокочастотных приложениях, таких как спутниковая связь и радиолокация. В 1990-х годах началось применение HEMT на основе нитрида галлия (GaN), что позволило значительно увеличить рабочие напряжения и мощности. В 2000-х годах появились HEMT на основе гетероструктур с квантовыми ямами, что ещё больше повысило частотные характеристики.

¶Устройство и принцип работы

¶Гетеропереход и двумерный электронный газ

Основой HEMT является гетеропереход между двумя полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны. В классической структуре на подложке из полуизолирующего арсенида галлия (GaAs) последовательно выращиваются следующие слои:

• Буферный слой нелегированного GaAs.
• Слой нелегированного AlGaAs (спейсер) толщиной несколько нанометров.
• Легированный донорами слой AlGaAs (обычно кремнием).
• Контактный слой GaAs.

На границе раздела GaAs/AlGaAs образуется потенциальная яма, в которой электроны из легированного слоя AlGaAs переходят в нелегированный GaAs, формируя двумерный электронный газ (2DEG). Поскольку 2DEG находится в нелегированном материале, рассеяние на ионизированных примесях минимизировано, что обеспечивает подвижность электронов, в десятки раз превышающую подвижность в объёмном полупроводнике (до 10⁷ см²/(В·с) при низких температурах).

¶Электроды и управление

Транзистор имеет три основных электрода:

• Исток (Source) — подача носителей заряда.
• Сток (Drain) — отвод носителей.
• Затвор (Gate) — управление током в канале.

Затвор, как правило, выполняется в виде барьера Шоттки (металл-полупроводник) или изолированного затвора (MIS-HEMT). При подаче напряжения на затвор изменяется концентрация 2DEG в канале, что модулирует ток между истоком и стоком. В отличие от МОП-транзисторов, в HEMT отсутствует инверсионный слой — канал существует всегда (нормально-открытый режим) или создаётся при определённом напряжении.

¶Классификация

¶По материалу гетероперехода

• GaAs HEMT — на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs. Рабочие частоты до 100 ГГц, используются в СВЧ-устройствах (спутниковая связь, радиолокация).
• GaN HEMT — на основе гетероперехода GaN/AlGaN. Обладают высокой пробивной напряжённостью поля (до 3 МВ/см) и теплопроводностью. Рабочие напряжения до 1000 В, частоты до 40 ГГц. Применяются в силовой электронике (импульсные источники питания, инверторы) и базовых станциях 5G.
• InP HEMT — на основе фосфида индия (InP). Обеспечивают рекордные частоты (до 1 ТГц), но сложны в производстве. Используются в научных исследованиях и терагерцовой технике.
• SiGe HEMT — на основе кремний-германиевых гетероструктур. Совместимы с кремниевой технологией, но уступают GaAs и GaN по частотам.

¶По типу затвора

• Schottky-gate HEMT — с затвором Шоттки (металлический контакт). Прост в изготовлении, но имеет утечки тока.
• MIS-HEMT (Metal-Insulator-Semiconductor) — с изолированным затвором (например, с диэлектриком SiN или Al₂O₃). Снижает токи утечки, повышает надёжность.
• Рецессивный затвор — углубление в слое AlGaAs для уменьшения расстояния до 2DEG, что улучшает управляемость.

¶Характеристики

¶Частотные свойства

HEMT обладают рекордными значениями граничной частоты (fT) и максимальной частоты генерации (fmax). Для GaAs HEMT fT достигает 150 ГГц, для InP HEMT — до 600 ГГц, для GaN HEMT — до 200 ГГц. Это позволяет использовать их в усилителях миллиметрового диапазона.

¶Мощностные параметры

GaN HEMT способны работать при напряжениях стока до 600–1200 В и токах до 100 А. Удельная мощность на единицу ширины затвора достигает 10–40 Вт/мм, что в 5–10 раз выше, чем у GaAs HEMT. Благодаря высокой теплопроводности подложки (например, карбид кремния) GaN HEMT эффективно отводят тепло.

¶Шумовые характеристики

HEMT отличаются низким уровнем собственных шумов (коэффициент шума менее 0,5 дБ на частотах до 10 ГГц). Это делает их идеальными для малошумящих усилителей (LNA) в приёмных трактах.

¶Применение

¶Радиочастотная электроника

• Спутниковая связь: усилители мощности и малошумящие усилители в диапазоне C, Ku, Ka.
• Радиолокационные станции: фазированные антенные решётки, системы ПВО.
• Базовые станции сотовой связи (4G/5G): GaN HEMT используются в мощных усилителях.
• Военная техника: системы радиоэлектронной борьбы, активные фазированные решётки.

¶Силовая электроника

• Импульсные источники питания: GaN HEMT обеспечивают КПД до 98% при частотах переключения до 10 МГц.
• Преобразователи для электромобилей: инверторы, DC-DC преобразователи.
• Системы бесперебойного питания и солнечные инверторы.

¶Научные исследования

• Терагерцовая спектроскопия: InP HEMT используются в детекторах и генераторах.
• Квантовые вычисления: HEMT применяются для считывания сигналов с кубитов при криогенных температурах.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая подвижность электронов (до 10⁷ см²/(В·с) при 4,2 К).
• Рекордные частоты (до 1 ТГц).
• Низкий уровень шума.
• Высокая пробивная напряжённость (для GaN).
• Работа при высоких температурах (до 300 °C для GaN).

¶Недостатки

• Сложность и дороговизна производства (требуется эпитаксиальное выращивание).
• Чувствительность к дефектам гетероперехода.
• Эффект коллапса тока (снижение тока при высоких напряжениях) в GaN HEMT, требующий специальных методов пассивации.
• Ограниченная совместимость с кремниевой технологией (за исключением SiGe).

¶Интересные факты

• В 2014 году исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали HEMT на основе графена, однако подвижность электронов в нём оказалась ниже, чем в традиционных GaAs-структурах.
• GaN HEMT используются в системах беспроводной зарядки электромобилей, где требуется передача мощности на расстоянии до 30 см.
• В 2023 году японская компания Fujitsu объявила о создании HEMT с рекордной граничной частотой 1,5 ТГц на основе InP-гетероструктуры.

¶Источники

• Mimura T. The early history of the high electron mobility transistor (HEMT) // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2002. — Vol. 50, № 3. — P. 780–782.
• 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, № 6. — P. 1022–1031.
• Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007. — Chapter 6.
• Абрамов И. И., Голубев В. Г. Транзисторы с высокой подвижностью электронов: физика, технология, применение // Успехи физических наук. — 2010. — Т. 180, № 10. — С. 1045–1072.
• Афанасьев А. В., Ковальчук А. А. GaN-транзисторы для силовой электроники: обзор // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2020. — № 4. — С. 56–63.