高電子移動度トランジスタ

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、チャネルとしてドープ領域（一般的にはMOSFETの場合）の代わりにバンドギャップの異なる2つの材料の接合（ヘテロ接合）を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幅広いバリエーションがあります。インジウムを多く組み込んだデバイスは一般に高周波性能が向上しますが、近年では窒化ガリウムHEMTが高出力性能のために注目を集めています。

他のFETと同様に、HEMT は集積回路でデジタルオンオフスイッチとして使用できます。また、FET は、小さな電圧を制御信号として使用して、大量の電流を増幅する増幅器としても使用できます。これらの用途は両方とも、FET の独自の電流-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) で動作でき、携帯電話、衛星テレビ受信機、電圧コンバータ、レーダー装置などの高周波製品に使用されます。衛星受信機、低電力増幅器、防衛産業で広く使用されています。

HEMT の用途には、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があります。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、さまざまな機器に使用されています。世界中の多数の企業が、個別トランジスタの形で、または「モノリシック マイクロ波集積回路」( MMIC )として、または電力スイッチング集積回路内で、HEMT ベースのデバイスを開発、製造、販売しています。

HEMTは、600GHzを超える周波数での電流利得と1THzを超える周波数での電力利得を示しているため、高周波数での高利得と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、破壊強度が高いため、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ます。^{[2] [3]これらの窒化ガリウム強化電圧コンバータ用途には}ACアダプタが含まれます。ACアダプタは、電源回路に必要な受動電子部品が小さいため、パッケージサイズが小さくなるというメリットがあります。^[3]

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 崇（たかし）によるものとされています。 ^[4] HEMTの基礎は、 1977年以来、標準的なシリコン（ Si）MOSFETの代替として三村が研究していた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）でした。彼は、1979年春、米国のベル研究所でレイ・ディングル、アーサー・ゴッサード、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を着想しました。 ^[4] 1978年4月に特許を申請しました。 ^[5]三村は1979年8月にHEMTの特許開示を申請し、その後、その年の後半に特許を取得しました。^[6] HEMTデバイスの最初のデモンストレーションであるD-HEMTは、1980年5月に三村と冷水聡によって発表され、その後、彼らは1980年8月に最初のE-HEMTをデモンストレーションしました。^[4]

ダニエル・ドラージュボードゥフとトランク・リン・ニューエンは、フランスのトムソンCSFで働いていたときに、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独立して申請しました。この特許も、ベル研究所の特許を影響を受けたものとして挙げています。^[7]「反転」HEMTの最初のデモンストレーションは、1980年8月にドラージュボードゥフとニューエンによって発表されました。^[4]

GaNベースのHEMTに関する最も古い言及の1つは、1993年のApplied Physics Lettersの記事で、Khanらが執筆したものです。^[8]その後、2004年にPD YeとB. YangらがGaN（窒化ガリウム）金属酸化物半導体HEMT（MOS-HEMT）を実証しました。これは、ゲート誘電体と表面パッシベーションの両方に原子層堆積（ALD）アルミニウム酸化物（Al ₂ O ₃）膜を使用しました。^[9]

2次元電子ガス（2DEG）の形成によって動作する電界効果トランジスタは、HEMTとして知られています。HEMTでは、電流は、ヘテロ接合と呼ばれる異なるバンドギャップの2つの層の間の界面にある2DEGを介してドレインとソース要素の間を流れます。^[10]これまでに検討されたHEMTのヘテロ接合層の構成（ヘテロ構造）の例には、AlGaN / GaN、^[2] AlGaAs / GaAs、InGaAs / GaAs、^[11] Si / SiGeなどがあります。^[12]

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、動作温度が高いこと、^[10]、破壊強度が高いこと、およびオン抵抗が低いことであり、^[3]、これらはすべて、SiベースのMOSFETと比較したGaNベースのHEMTの場合に当てはまります。さらに、InPベースのHEMTは、低ノイズ性能と高速スイッチング性能を備えています。^[13]

広帯域素子にはドナー原子がドープされているため、伝導帯に余分な電子があります。これらの電子は、より低いエネルギー状態が利用できるため、隣接する狭帯域材料の伝導帯に拡散します。電子の移動により電位が変化し、材料間に電界が発生します。電界により、電子は広帯域素子の伝導帯に押し戻されます。拡散プロセスは、電子の拡散と電子のドリフトが互いにバランスを取り、p-n接合に似た平衡状態の接合が形成されるまで続きます。ドープされていない狭帯域バンドギャップ材料には、過剰な多数電荷キャリアがあることに注意してください。電荷キャリアが多数キャリアであるという事実は、高いスイッチング速度をもたらし、低バンドギャップ半導体がドープされていないという事実は、散乱を引き起こすドナー原子が存在しないことを意味するため、高い移動度をもたらします。

GaAs HEMT の場合、高ドープの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、ドーパント不純物のない非ドープのナローバンドギャップ チャネル層 (この場合は GaAs) のヘテロ接合を使用し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、GaAs 層に完全に落ちて空乏化した 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作成されたヘテロ接合がGaAs 側の伝導帯に量子井戸(急峻な峡谷) を形成するためです。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、そこから逃げることはできません。この効果は、非常に高濃度で非常に移動性の高い伝導電子の非常に薄い層を作成することであり、チャネルの抵抗率が非常に低くなります(言い換えると、「高電子移動度」)。

GaAs は電子親和力が高いため、AlGaAs 層の自由電子は非ドープ GaAs 層に転送され、そこで界面から 100 Å (10 nm ) 以内に 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、次の 2 つの空乏メカニズムによって完全に空乏化されます。

• 表面状態による自由電子の捕捉により表面の空乏が発生します。
• 電子が非ドープ GaAs 層に移動するにつれて、界面の空乏化が起こります。

ゲート金属のフェルミ準位は、伝導帯より 1.2 eV低いピンニング ポイントと一致します。AlGaAs 層の厚さが薄くなると、AlGaAs 層のドナーから供給される電子は、層をピンニングするのに不十分になります。その結果、バンド ベンディングは上向きに移動し、2 次元電子ガスは現れません。しきい値電圧よりも高い正の電圧がゲートに印加されると、電子がインターフェースに蓄積され、2 次元電子ガスが形成されます。

HEMT の重要な側面は、伝導帯と価電子帯のバンド不連続を個別に変更できることです。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である必要があるため、材料の 1 つに段階的ドーピングを適用して、伝導帯の不連続を小さくし、価電子帯の不連続を同じに保つことができます。このキャリアの拡散により、狭いバンド ギャップ材料内の 2 つの領域の境界に沿って電子が蓄積されます。電子の蓄積により、これらのデバイスでは非常に高い電流が発生します。「変調ドーピング」という用語は、ドーパントが空間的に電流を運ぶ電子とは異なる領域にあることを意味します。この技術は、ベル研究所のHorst Störmer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高く、非常に移動しやすい電荷キャリアの密度が高い量子井戸構造を形成できます。その結果、スイッチング速度が極めて速く、ノイズが少ない FET が実現します。InGaAs / AlGaAs、AlGaN / InGaN 、その他の化合物も SiGe の代わりに使用されます。InP と GaN は、ノイズ比と電力比が優れているため、 MODFET のベース材料として 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 つの異なる材料は同じ格子定数(原子間の間隔) を持ちます。実際には、格子定数は通常わずかに異なり (例: GaAs 上の AlGaAs)、結晶欠陥が生じます。類似例として、わずかに間隔の異なる 2 つのプラスチック製の櫛を押し合わせることを想像してください。一定の間隔で、2 つの歯が密集しているのがわかります。半導体では、これらの不連続性が深層レベルのトラップを形成し、デバイスのパフォーマンスを大幅に低下させます。

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、一方の材料の非常に薄い層を使用することで実現されます。非常に薄いため、結晶格子は単純に伸びてもう一方の材料に適合します。この技術により、通常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でき、パフォーマンスが向上します。^[14]

異なる格子定数の材料を使用する別の方法は、それらの間にバッファ層を配置することです。これは、 pHEMT の進化形であるmHEMTまたはメタモルフィックHEMT で行われます。バッファ層はAlInAsで作られており、インジウム濃度は GaAs 基板とGaInAsチャネルの両方の格子定数に一致するように傾斜しています。これにより、チャネル内のインジウム濃度を実質的に任意の値にすることができるという利点があり、デバイスをさまざまなアプリケーションに最適化できます (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)。^{[引用が必要]}

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で作られた HEMT では、電子をゲートに引き寄せるために、正のゲート電圧または AlGaAs バリア内の適切なドナードーピングが必要です。これにより、2D 電子ガスが形成され、電子電流の伝導が可能になります。この動作は、エンハンスメントモードで一般的に使用される電界効果トランジスタの動作に似ており、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から構築すると、より高い電力密度とブレークダウン電圧を実現できます。窒化物には、対称性の低い異なる結晶構造、つまり電気分極が組み込まれたウルツ鉱型もあります。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のシートが形成されます。エピタキシャル成長に通常使用される結晶方向 (「ガリウム面」) と製造に適したデバイス形状 (ゲートが上) 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ている場合にのみオフになります。そのため、この種類の HEMT は空乏型 HEMTまたはdHEMTとして知られています。バリアにアクセプタ（例：Mg）を十分にドーピングすることで、内蔵電荷を補償し、より一般的なeHEMT動作を回復できますが、チャネルへのドーパント拡散のため、窒化物の高密度 p ドーピングは技術的に困難です。 ${\displaystyle ^{2}}$

変調ドープHEMTとは対照的に、誘導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、トップゲートでさまざまな電子密度を調整する柔軟性を提供します。ドープ層がないため、変調ドープの対応物と比較して電子移動度が大幅に向上します。このレベルのクリーンさにより、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、超安定で超高感度の電子デバイスへの応用が可能になります。^[15]

• 変調ドープFET