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高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor)

报告人：李奉南 成员:李晓楠 李奉南 何康 闫杨娇 王进军

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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

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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。

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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.

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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。

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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

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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。

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二维电子气模型2.2典型的二维电子气(2DEG)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。

图2.反型层中的2-DEG结构

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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 h2 2EZn , n 0,1, 2... n

平行于表面(X、Y方向),电子运动几乎是 自由的，则 En EX ,Y EZn , n 0,1, 2...

8m L

*

2 z

图3.表面反型层中势阱中的波函数

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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

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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

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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( 1 m )。 缓变异质结 过渡发生于几个扩散长度范围内。

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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。

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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。

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HEMT工作原理4.1HEMT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。图8.常规HEMT的基本结构

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HEMT工作原理4.1HEMT基本结构

图9.HEMT的基本结构

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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

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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

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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

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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