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高電子移動度トランジスタ（HEMTまたはHEM FET）は、ヘテロ構造FET（HFET）または変調ドープFET（MODFET）とも呼ばれ、MOSFETのようにドープ領域ではなく、異なるバンドギャップを持つ2つの材料間の接合（ヘテロ接合）をチャネルとして組み込んだ電界効果トランジスタです。一般的に使用される材料の組み合わせはGaAsとAlGaAsですが、デバイスの用途に応じて大きく異なります。インジウムを多く含むデバイスは一般的に高周波性能が優れていますが、近年では窒化ガリウムHEMTが高出力性能で注目を集めています。
他のFETと同様に、HEMTは集積回路においてデジタルオン/オフスイッチとして使用できます。FETは、小さな電圧を制御信号として使用して大電流を増幅するアンプとしても使用できます。これらの用途はどちらも、FET独自の電流-電圧特性によって可能になります。HEMTトランジスタは、通常のトランジスタよりも高い周波数、ミリ波周波数まで動作可能であり、携帯電話、衛星テレビ受信機、電圧変換器、レーダー機器などの高周波製品に使用されています。衛星受信機、低電力アンプ、防衛産業などで広く使用されています。
HEMTの用途は、マイクロ波およびミリ波通信、画像処理、レーダー、電波天文学、電力スイッチングなど多岐にわたります。携帯電話、電源アダプタ、DBS受信機から、電波天文学、レーダーシステムなどの電子戦システムまで、様々な機器に搭載されています。世界中の多くの企業が、HEMTをベースとしたデバイスを、個別トランジスタ、モノリシックマイクロ波集積回路（ MMIC ）、または電力スイッチング集積回路の形で開発、製造、販売しています。
HEMTは、600GHzを超える周波数で電流利得、1THzを超える周波数で電力利得を示すことから、高周波で高利得かつ低ノイズが求められる用途に適しています。[ 1 ]窒化ガリウムベースのHEMTは、オン抵抗が低く、スイッチング損失が低く、耐圧が高いため、電圧コンバータ用途の電力スイッチングトランジスタとして使用されています。[ 2 ] [ 3 ]これらの窒化ガリウム強化型電圧コンバータ用途にはACアダプタが含まれており、電力回路に小型の受動電子部品が必要となるため、パッケージサイズが小さくなるという利点があります。[ 3 ]窒化ガリウムHEMTは、電気自動車の電力インバータなどの高出力用途向けにも開発されています。[ 4 ]
高電子移動度トランジスタ（HEMT）の発明は、通常、日本の富士通に勤務していた物理学者の三村高志氏によるものとされている。 [ 5 ] HEMTの基礎となったのは、三村氏が1977年から標準的なシリコン（Si）MOSFETの代替として研究していたGaAs（ガリウムヒ素）MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）である。彼は1979年の春、米国ベル研究所でレイ・ディングル、アーサー・ゴサード、ホルスト・シュテルマーによって開発された変調ドープヘテロ接合超格子について読んだときにHEMTを思いついた。 [ 5 ]彼らは1978年4月に特許を出願した。[ 6 ]三村氏は1979年8月にHEMTの特許開示を行い、同年後半に特許を取得した。 [ 7 ] 1980 年 5 月に三村と檜水聡によって実証された最初のデバイスは、通常オンでゲートに負の電圧を印加するとチャネルが空乏化する D-HEMT であった。同年後半、彼らはより実用的なエンハンスメントモードで動作する E-HEMT を実証した。これは通常オフで、ゲート下のチャネルは正のゲート電圧によって占有される。[ 5 ]
フランスのトムソンCSFで働いていたダニエル・デラージュボーデフとトラン・リン・グエンは、それぞれ独立して、 1979年3月に同様のタイプの電界効果トランジスタの特許を出願した。この特許には、ベル研究所の特許が影響を与えたと記載されている。 [ 8 ]デラージュボーデフとグエンは、1980年8月に「反転型」HEMTの最初のデモンストレーションを発表した。[ 5 ]
GaNベースのHEMTに関する最も初期の言及の1つは、1993年のApplied Physics Letters誌のKhanらによる論文である。[ 9 ]その後、2004年にPD YeとB. Yangらは、GaN（窒化ガリウム）金属酸化物半導体HEMT（MOS-HEMT）を実証した。これは、原子層堆積（ALD）アルミニウム酸化物（ Al2O3 ）膜をゲート誘電体と表面パッシベーションの両方に使用した。[ 10 ]
動作が二次元電子ガス（2DEG）の形成に依存する電界効果トランジスタは、HEMTとして知られています。HEMTSでは、電流は、異なるバンドギャップを持つ2つの層の界面に位置する2DEGを介して、ドレインとソース素子の間を流れます。この界面はヘテロ接合と呼ばれます。 [ 11 ] HEMT用にこれまで研究されてきたヘテロ接合層構成（ヘテロ構造）の例としては、AlGaN/GaN、[ 2 ] AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs、[ 12 ]およびSi/SiGeなどがあります。[ 13 ]
バイポーラ接合トランジスタやMOSFETなどの他のトランジスタアーキテクチャと比較したHEMTの利点は、より高い動作温度[ 11 ] 、より高い耐破壊強度、およびより低いオン状態抵抗[ 3 ]であり、これらはすべてSiベースのMOSFETと比較したGaNベースのHEMTの場合である。さらに、InPベースのHEMTは低ノイズ性能とより高いスイッチング速度を示す[ 14 ] 。
広帯域半導体にはドナー原子が添加されているため、伝導帯に過剰な電子が存在します。これらの電子は、より低いエネルギー準位が存在するため、隣接する狭帯域半導体の伝導帯へと拡散します。電子の移動によって電位差が生じ、材料間に電界が発生します。この電界によって電子は広帯域半導体の伝導帯へと押し戻されます。拡散プロセスは、電子拡散と電子ドリフトが釣り合うまで続き、p-n接合に似た平衡接合が形成されます。なお、無添加の狭帯域半導体には、過剰な多数キャリアが存在します。これらのキャリアが多数キャリアであることからスイッチング速度が速く、低バンドギャップ半導体が無添加であることから散乱を引き起こすドナー原子が存在しないため移動度が高くなります。
GaAs HEMTの場合、高濃度にドープされたワイドバンドギャップn型ドナー供給層（この例ではAlGaAs）と、ドーパント不純物を含まない非ドープのナローバンドギャップチャネル層（この例ではGaAs）のヘテロ接合によって生成される高移動度電子を利用します。薄いn型AlGaAs層で生成された電子は、完全にGaAs層に落ち込み、空乏AlGaAs層を形成します。これは、異なるバンドギャップ材料によって形成されたヘテロ接合が、 GaAs側の伝導帯に量子井戸（急峻な谷）を形成し、GaAs層は非ドープであるため、電子は不純物と衝突することなく高速で移動でき、そこから脱出できないためです。この結果、非常に高い濃度を持つ高移動度伝導電子の非常に薄い層が形成され、チャネルの抵抗率が非常に低くなります（言い換えれば、「高い電子移動度」が得られます）。
GaAsは電子親和力が高いため、AlGaAs層の自由電子はドープされていないGaAs層に移動し、界面から100オングストローム（10 nm）以内の範囲で2次元の高移動度電子ガスを形成します。HEMTのn型AlGaAs層は、2つの空乏化メカニズムによって完全に空乏化されます。
ゲート金属のフェルミ準位は、伝導帯より1.2 eV低いピン止め点に一致している。AlGaAs層の厚さが減少すると、AlGaAs層中のドナーから供給される電子だけでは層をピン止めするのに不十分となる。その結果、バンドの曲がりが上方に移動し、二次元電子ガスは発生しない。ゲートに閾値電圧よりも高い正電圧を印加すると、電子が界面に蓄積され、二次元電子ガスが形成される。
HEMTの重要な特徴の一つは、伝導帯と価電子帯のバンド不連続性を個別に調整できることです。これにより、デバイスに出入りするキャリアの種類を制御できます。HEMTでは電子が主なキャリアとなるため、一方の材料に段階的なドーピングを施すことで、伝導帯の不連続性を小さくし、価電子帯の不連続性は一定に保つことができます。このキャリアの拡散により、狭バンドギャップ材料内部の2つの領域の境界に沿って電子が蓄積されます。この電子の蓄積によって、これらのデバイスでは非常に高い電流が流れます。「変調ドーピング」とは、ドーパントが電流を運ぶ電子とは空間的に異なる領域に存在することを指します。この技術は、ベル研究所のホルスト・シュテルマーによって発明されました。
MODFETは、歪みSiGe層のエピタキシャル成長によって製造できます。歪み層では、ゲルマニウム含有量が直線的に増加し、約40～50%になります。このゲルマニウム濃度により、伝導帯オフセットが大きく、移動度の高い電荷キャリアが高密度に存在する量子井戸構造が形成されます。その結果、超高速スイッチングと低ノイズのFETが実現します。SiGeの代わりに、 InGaAs / AlGaAs、AlGaN / InGaNなどの化合物も使用されています。ノイズと電力比が優れているため、MODFETのベース材料として、InPとGaNがSiGeに取って代わり始めています。
理想的には、ヘテロ接合に使用される2種類の材料は、同じ格子定数（原子間の間隔）を持つべきです。しかし実際には、格子定数はわずかに異なることが多く（例えば、GaAs上のAlGaAsなど）、結晶欠陥が生じます。例えるなら、間隔がわずかに異なる2本のプラスチック製の櫛を押し合わせるようなものです。一定間隔で、2本の歯がくっついてしまうのがわかります。半導体では、このような不連続性が深い準位のトラップを形成し、デバイスの性能を著しく低下させます。
この規則に違反するHEMTは、pHEMTまたは擬似HEMTと呼ばれます。これは、一方の材料の極めて薄い層を使用することで実現されます。その層は非常に薄いため、結晶格子がもう一方の材料に合わせて単純に伸びます。この技術により、従来よりも大きなバンドギャップ差を持つトランジスタを構築することが可能になり、より優れた性能が得られます。[ 15 ]
格子定数の異なる材料を使用するもう1つの方法は、それらの間にバッファ層を配置することです。これは、pHEMTの改良版であるmHEMT（メタモルフィックHEMT）で行われます。バッファ層はAlInAsでできており、インジウム濃度が段階的に変化することで、GaAs基板とGaInAsチャネルの両方の格子定数に一致させることができます。これにより、チャネル内のインジウム濃度をほぼ自由に設定できるため、さまざまな用途に合わせてデバイスを最適化できます（インジウム濃度が低いとノイズが低くなり、インジウム濃度が高いとゲインが高くなります）。
AlGaAs/GaAsなどの界面正味分極電荷を持たない半導体ヘテロ界面からなるHEMTでは、ゲートに電子を引き寄せ、2次元電子ガスを形成して電子電流を流すために、AlGaAsバリアに正のゲート電圧を印加するか、適切なドナーをドーピングする必要があります。この動作は、一般的に使用されている電界効果トランジスタのエンハンスメントモードの動作と類似しており、このようなデバイスはエンハンスメントHEMT、またはeHEMTと呼ばれます。
HEMTをAlGaN / GaNで構築すると、より高い電力密度と耐圧を実現できます。窒化物には、対称性の低いウルツ鉱型結晶構造があり、内部に電気分極が存在します。この分極はGaNチャネル層とAlGaNバリア層で異なるため、0.01～0.03 C/m程度の補償されていない電荷シートが生じます。が形成されます。エピタキシャル成長に通常使用される結晶方位（「ガリウム面」）と製造に適したデバイス形状（ゲートが上側）により、この電荷シートは正になり、ドーピングがなくても 2D 電子ガスが形成されます。このようなトランジスタは通常オンで、ゲートが負にバイアスされた場合にのみオフになります。そのため、この種の HEMT は空乏型 HEMT、またはdHEMTとして知られています。バリアをアクセプタ（例えばMg）で十分にドーピングすることにより、内蔵電荷を補償して、より一般的なeHEMT の動作を回復できますが、窒化物の高密度 p ドーピングは、ドーパントがチャネルに拡散するため、技術的に困難です。
変調ドープHEMTとは対照的に、誘導型高電子移動度トランジスタは、電荷キャリアがドーパントによって生成されるのではなく2DEG平面に「誘導」されるため、トップゲートで異なる電子密度を調整できる柔軟性を提供します。ドープ層がないため、変調ドープ型と比較して電子移動度が大幅に向上します。このレベルの清浄度により、量子カオス研究のための量子ビリヤードの分野での研究や、超安定かつ超高感度の電子デバイスへの応用が可能になります。[ 16 ]
