Transistor à haute mobilité électronique - High-electron-mobility transistor

Coupe transversale d'un pHEMT GaAs/AlGaAs/InGaAs

Diagramme de bande de HEMT à hétérojonction GaAs/AlGaAs , à l'équilibre.

Un transistor à haute mobilité électronique ( HEMT ), également connu sous le nom de FET à hétérostructure ( HFET ) ou FET dopé par modulation ( MODFET ), est un transistor à effet de champ incorporant une jonction entre deux matériaux avec des bandes interdites différentes (c'est-à-dire une hétérojonction ) comme le canal au lieu d'une région dopée (comme c'est généralement le cas pour un MOSFET ). Une combinaison de matériaux couramment utilisée est GaAs avec AlGaAs , bien qu'il existe une grande variation, en fonction de l'application du dispositif. Les dispositifs incorporant plus d' indium présentent généralement de meilleures performances à haute fréquence, tandis que ces dernières années, les HEMT au nitrure de gallium ont attiré l'attention en raison de leurs performances à haute puissance. Comme les autres FET , les HEMT sont utilisés dans les circuits intégrés en tant qu'interrupteurs numériques marche-arrêt. Les FET peuvent également être utilisés comme amplificateurs pour de grandes quantités de courant en utilisant une petite tension comme signal de commande. Ces deux utilisations sont rendues possibles par les caractéristiques courant-tension uniques du FET . Les transistors HEMT sont capables de fonctionner à des fréquences plus élevées que les transistors ordinaires, jusqu'à des fréquences d' ondes millimétriques , et sont utilisés dans des produits à haute fréquence tels que les téléphones portables , les récepteurs de télévision par satellite , les convertisseurs de tension et les équipements radar . Ils sont largement utilisés dans les récepteurs satellites, dans les amplificateurs de faible puissance et dans l'industrie de la défense.

Avantages

Les avantages des HEMT sont qu'ils ont un gain élevé, ce qui les rend utiles comme amplificateurs ; des vitesses de commutation élevées, obtenues parce que les principaux porteurs de charge dans les MODFET sont des porteurs majoritaires et que les porteurs minoritaires ne sont pas impliqués de manière significative ; et des valeurs de bruit extrêmement faibles car la variation de courant dans ces appareils est faible par rapport aux autres.

Histoire

L'invention du transistor à haute mobilité électronique (HEMT) est généralement attribuée au physicien Takashi Mimura (三村 高志), alors qu'il travaillait chez Fujitsu au Japon. La base du HEMT était le MOSFET GaAs (arséniure de gallium) (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur), que Mimura recherchait comme alternative au MOSFET au silicium (Si) standard depuis 1977. Il a conçu le HEMT au printemps. 1979, lorsqu'il a lu un article sur un super - réseau à hétérojonction dopé modulé développé aux Bell Labs aux États-Unis, par Ray Dingle, Arthur Gossard et Horst Störmer qui ont déposé un brevet en avril 1978. Mimura a déposé une divulgation de brevet pour un HEMT en août 1979, puis un brevet plus tard cette année-là. La première démonstration d'un appareil HEMT, le D-HEMT, a été présentée par Mimura et Satoshi Hiyamizu en mai 1980, puis ils ont ensuite présenté le premier E-HEMT en août 1980.

Indépendamment, Daniel Delagebeaudeuf et Trong Linh Nguyen, alors qu'ils travaillaient chez Thomson-CSF en France, ont déposé un brevet pour un type similaire de transistor à effet de champ en mars 1979. Il cite également le brevet des Bell Labs comme une influence. La première démonstration d'un HEMT « inversé » a été présentée par Delagebeaudeuf et Nuyen en août 1980.

L'une des premières mentions d'un HEMT basé sur GaN se trouve dans l'article de 1993 Applied Physics Letters , par Khan et al . Plus tard, en 2004, PD Ye et B. Yang et al ont démontré un HEMT à semi-conducteur-oxyde métallique GaN (nitrure de gallium) (MOS-HEMT). Il a utilisé un film d'oxyde d'aluminium (Al ₂ O ₃ ) déposé par couche atomique (ALD) à la fois comme diélectrique de grille et pour la passivation de surface .

Analyse conceptuelle

Les HEMT sont des hétérojonctions . Cela signifie que les semi-conducteurs utilisés ont des bandes interdites différentes . Par exemple, le silicium a une bande interdite de 1,1 électron-volt (eV), tandis que le germanium a une bande interdite de 0,67 eV. Lorsqu'une hétérojonction est formée, la bande de conduction et la bande de valence dans tout le matériau doivent se plier pour former un niveau continu.

La mobilité exceptionnelle des porteurs et la vitesse de commutation des HEMT proviennent des conditions suivantes : l'élément à large bande est dopé avec des atomes donneurs ; il a donc des électrons en excès dans sa bande de conduction. Ces électrons diffuseront vers la bande de conduction du matériau à bande étroite adjacente en raison de la disponibilité d'états à plus faible énergie. Le mouvement des électrons va provoquer un changement de potentiel et donc un champ électrique entre les matériaux. Le champ électrique repoussera les électrons vers la bande de conduction de l'élément à large bande. Le processus de diffusion se poursuit jusqu'à ce que la diffusion des électrons et la dérive des électrons s'équilibrent, créant une jonction à l'équilibre similaire à une jonction pn . Notez que le matériau à bande interdite étroite non dopé a maintenant des porteurs de charge majoritaires en excès. Le fait que les porteurs de charge soient des porteurs majoritaires donne des vitesses de commutation élevées, et le fait que le semi-conducteur à faible bande interdite soit non dopé signifie qu'il n'y a pas d'atomes donneurs pour provoquer la diffusion et donne ainsi une mobilité élevée.

Un aspect important des HEMT est que les discontinuités de bande à travers les bandes de conduction et de valence peuvent être modifiées séparément. Cela permet de contrôler le type de porteurs entrant et sortant de l'appareil. Comme les HEMT nécessitent que les électrons soient les principaux porteurs, un dopage progressif peut être appliqué dans l'un des matériaux, réduisant ainsi la discontinuité de la bande de conduction et gardant la même discontinuité de la bande de valence. Cette diffusion de porteurs conduit à l'accumulation d'électrons le long de la frontière des deux régions à l'intérieur du matériau à bande interdite étroite. L'accumulation d'électrons conduit à un courant très élevé dans ces dispositifs. Les électrons accumulés sont également appelés 2DEG ou gaz d'électrons bidimensionnel.

Le terme « dopage de modulation » fait référence au fait que les dopants sont spatialement dans une région différente du courant porteur d'électrons. Cette technique a été inventée par Horst Störmer à Bell Labs .

Explication

Pour permettre la conduction, les semi-conducteurs sont dopés avec des impuretés qui donnent soit des électrons mobiles, soit des trous . Cependant, ces électrons sont ralentis par des collisions avec les impuretés (dopants) utilisées pour les générer en premier lieu. Les HEMT évitent cela grâce à l'utilisation d'électrons à haute mobilité générés à l'aide de l'hétérojonction d'une couche d'alimentation de donneur de type n à large bande interdite hautement dopée (AlGaAs dans notre exemple) et d'une couche de canal à bande interdite étroite non dopée sans impuretés dopantes (GaAs dans ce cas).

Les électrons générés dans la couche mince d'AlGaAs de type n tombent complètement dans la couche de GaAs pour former une couche d'AlGaAs appauvrie, car l'hétérojonction créée par différents matériaux à bande interdite forme un puits quantique (un canyon abrupt) dans la bande de conduction sur le GaAs. côté où les électrons peuvent se déplacer rapidement sans entrer en collision avec des impuretés car la couche de GaAs n'est pas dopée, et d'où ils ne peuvent pas s'échapper. L'effet de ceci est de créer une couche très mince d'électrons conducteurs très mobiles avec une concentration très élevée, donnant au canal une résistivité très faible (ou pour le dire autrement, une "mobilité électronique élevée").

Mécanisme électrostatique

Étant donné que GaAs a une affinité électronique plus élevée , les électrons libres de la couche d'AlGaAs sont transférés vers la couche de GaAs non dopé où ils forment un gaz d'électrons bidimensionnel à haute mobilité à moins de 100 ångström (10 nm ) de l'interface. La couche d'AlGaAs de type n de l'HEMT est complètement épuisée par deux mécanismes d'appauvrissement :

• Le piégeage des électrons libres par les états de surface provoque l'épuisement de la surface.
• Le transfert d'électrons dans la couche de GaAs non dopé entraîne l'appauvrissement de l'interface.

Le niveau de Fermi du métal de la grille correspond au point d'épinglage, qui se situe à 1,2 eV en dessous de la bande de conduction. Avec l'épaisseur réduite de la couche d'AlGaAs, les électrons fournis par les donneurs dans la couche d'AlGaAs sont insuffisants pour fixer la couche. En conséquence, la flexion de la bande se déplace vers le haut et le gaz d'électrons bidimensionnel n'apparaît pas. Lorsqu'une tension positive supérieure à la tension de seuil est appliquée à la grille, les électrons s'accumulent à l'interface et forment un gaz d'électrons bidimensionnel.

Fabrication

Les MODFET peuvent être fabriqués par croissance épitaxiale d'une couche de SiGe contrainte . Dans la couche contrainte, la teneur en germanium augmente linéairement jusqu'à environ 40-50%. Cette concentration de germanium permet la formation d'une structure de puits quantique avec un décalage de bande de conduction élevé et une densité élevée de porteurs de charge très mobiles . Le résultat final est un FET avec des vitesses de commutation ultra-élevées et un faible bruit. InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN , et d'autres composés sont également utilisés à la place de SiGe. L'InP et le GaN commencent à remplacer le SiGe comme matériau de base dans les MODFET en raison de leurs meilleurs rapports de bruit et de puissance.

Versions des HEMT

Par technologie de croissance : pHEMT et mHEMT

Idéalement, les deux matériaux différents utilisés pour une hétérojonction auraient la même constante de réseau (espacement entre les atomes). En pratique, les constantes de réseau sont généralement légèrement différentes (par exemple AlGaAs sur GaAs), ce qui entraîne des défauts cristallins. Par analogie, imaginez pousser ensemble deux peignes en plastique avec un espacement légèrement différent. À intervalles réguliers, vous verrez deux dents s'agglutiner. Dans les semi-conducteurs, ces discontinuités forment des pièges profonds et réduisent considérablement les performances du dispositif.

Un HEMT où cette règle est violée est appelé un pHEMT ou un HEMT pseudomorphique . Ceci est réalisé en utilisant une couche extrêmement fine de l'un des matériaux - si fine que le réseau cristallin s'étire simplement pour s'adapter à l'autre matériau. Cette technique permet la construction de transistors avec des différences de bande interdite plus importantes que possible, leur donnant de meilleures performances.

Une autre façon d'utiliser des matériaux de constantes de réseau différentes consiste à placer une couche tampon entre eux. Cela se fait dans le mHEMT ou HEMT métamorphique , une avancée du pHEMT. La couche tampon est constituée d' AlInAs , avec une concentration en indium graduée de manière à correspondre à la constante de réseau du substrat GaAs et du canal GaInAs . Cela présente l'avantage que pratiquement n'importe quelle concentration d'indium dans le canal peut être réalisée, de sorte que les dispositifs peuvent être optimisés pour différentes applications (une faible concentration d'indium fournit un faible bruit ; une concentration élevée d'indium donne un gain élevé ).

Par comportement électrique : eHEMT et dHEMT

Les HEMT constitués d'hétéro-interfaces semi-conductrices dépourvues de charge de polarisation nette interfaciale, comme AlGaAs/GaAs, nécessitent une tension de grille positive ou un dopage donneur approprié dans la barrière AlGaAs pour attirer les électrons vers la grille, qui forme le gaz d'électrons 2D et permet la conduction de courants d'électrons. Ce comportement est similaire à celui des transistors à effet de champ couramment utilisés en mode d'enrichissement, et un tel dispositif est appelé HEMT d'enrichissement, ou eHEMT .

Lorsqu'un HEMT est construit à partir d' AlGaN / GaN , une densité de puissance et une tension de claquage plus élevées peuvent être obtenues. Les nitrures ont également une structure cristalline différente avec une symétrie plus faible, à savoir celle de la wurtzite , qui a une polarisation électrique intégrée. Etant donné que cette polarisation diffère entre la couche de canal de GaN et la couche barrière d' AlGaN , une nappe de charge non compensée de l'ordre de 0,01 à 0,03 C/m est formée. En raison de l'orientation cristalline généralement utilisée pour la croissance épitaxiale ("à face de gallium") et de la géométrie du dispositif favorable à la fabrication (grille sur le dessus), cette feuille de charge est positive, provoquant la formation du gaz d'électrons 2D même s'il n'y a pas de dopage . Un tel transistor est normalement activé et ne s'éteindra que si la grille est polarisée négativement. Ce type de HEMT est donc appelé HEMT d'épuisement ou dHEMT . Par un dopage suffisant de la barrière avec des accepteurs (par exemple Mg ), la charge intégrée peut être compensée pour restaurer le fonctionnement eHEMT plus habituel , cependant le dopage p à haute densité des nitrures est technologiquement difficile en raison de la diffusion du dopant dans le canal. ${\style d'affichage ^{2}}$

HEMT induit

Contrairement à un HEMT dopé par modulation, un transistor à mobilité électronique élevée induite offre la possibilité d'accorder différentes densités d'électrons avec une grille supérieure, car les porteurs de charge sont "induits" sur le plan 2DEG plutôt que créés par des dopants. L'absence de couche dopée améliore considérablement la mobilité des électrons par rapport à leurs homologues dopés par modulation. Ce niveau de propreté offre des opportunités d'effectuer des recherches dans le domaine du billard quantique pour des études de chaos quantique , ou des applications dans des dispositifs électroniques ultra stables et ultra sensibles.

Applications

Applications (par exemple pour AlGaAs sur GaAs) sont similaires à ceux des MESFET - micro - ondes et à ondes millimétriques communications , l' imagerie, le radar et la radioastronomie - toutes les applications où un gain élevé et un faible bruit à des fréquences élevées sont nécessaires. Les HEMT ont montré un gain de courant à des fréquences supérieures à 600 GHz et un gain de puissance à des fréquences supérieures à 1 THz. (Des transistors bipolaires à hétérojonction ont été démontrés à des fréquences de gain de courant supérieures à 600 GHz en avril 2005.) De nombreuses entreprises dans le monde développent et fabriquent des dispositifs à base de HEMT. Ceux-ci peuvent être des transistors discrets mais se présentent plus généralement sous la forme d'un «circuit intégré hyperfréquence monolithique» ( MMIC ). Les HEMT se trouvent dans de nombreux types d'équipements, allant des téléphones portables et des récepteurs DBS aux systèmes de guerre électronique tels que les radars et pour la radioastronomie .

De plus, les HEMT en nitrure de gallium sur des substrats de silicium sont utilisés comme transistors de commutation de puissance pour les applications de convertisseur de tension. Par rapport aux transistors de puissance au silicium, les HEMT au nitrure de gallium présentent de faibles résistances à l'état passant et de faibles pertes de commutation en raison des propriétés de large bande interdite. Les HEMT de puissance au nitrure de gallium sont disponibles dans le commerce jusqu'à des tensions de 200 V-600 V.

Voir également

• Transistor bipolaire à hétérojonction

Les transistors bipolaires à hétérojonction peuvent être utilisés pour des applications giga hertz.

Les références

Liens externes

• FET dopé par modulation