Un transistor de alta movilidad electrónica ( HEMT o HEM FET ), también conocido como FET de heteroestructura ( HFET ) o FET dopado con modulación ( MODFET ), es un transistor de efecto de campo que incorpora una unión entre dos materiales con diferentes bandas prohibidas (es decir, un heterounión ) como canal en lugar de una región dopada (como suele ser el caso de un MOSFET ). Una combinación de materiales comúnmente utilizada es GaAs con AlGaAs , aunque existe una amplia variación, dependiendo de la aplicación del dispositivo. Los dispositivos que incorporan más indio generalmente muestran un mejor rendimiento de alta frecuencia, mientras que en los últimos años, los HEMT de nitruro de galio han llamado la atención debido a su rendimiento de alta potencia. Al igual que otros FET , los HEMT se utilizan en circuitos integrados como interruptores digitales de encendido y apagado. Los FET también se pueden utilizar como amplificadores para grandes cantidades de corriente utilizando un voltaje pequeño como señal de control. Ambos usos son posibles gracias a las características únicas de corriente-voltaje del FET . Los transistores HEMT pueden funcionar a frecuencias más altas que los transistores ordinarios, hasta frecuencias de ondas milimétricas , y se utilizan en productos de alta frecuencia como teléfonos móviles , receptores de televisión por satélite , convertidores de voltaje y equipos de radar . Se utilizan ampliamente en receptores de satélite, en amplificadores de baja potencia y en la industria de defensa.
Las aplicaciones de los HEMT incluyen comunicaciones por microondas y ondas milimétricas , imágenes, radar , radioastronomía y conmutación de energía . Se encuentran en muchos tipos de equipos, desde teléfonos móviles, adaptadores de alimentación y receptores DBS hasta sistemas de radioastronomía y guerra electrónica , como los sistemas de radar . Numerosas empresas en todo el mundo desarrollan, fabrican y venden dispositivos basados en HEMT en forma de transistores discretos, como "circuitos integrados de microondas monolíticos" ( MMIC ) o dentro de circuitos integrados de conmutación de energía.
Los HEMT son adecuados para aplicaciones donde se requiere alta ganancia y bajo ruido en altas frecuencias, ya que han mostrado ganancia de corriente en frecuencias superiores a 600 GHz y ganancia de potencia en frecuencias superiores a 1THz. [1] Los HEMT basados en nitruro de galio se utilizan como transistores de conmutación de potencia para aplicaciones de convertidores de voltaje debido a sus bajas resistencias en estado encendido, bajas pérdidas de conmutación y alta resistencia a la ruptura. [2] [3] Estas aplicaciones de convertidores de voltaje mejorados con nitruro de galio incluyen adaptadores de CA , que se benefician de tamaños de paquete más pequeños debido a que los circuitos de alimentación requieren componentes electrónicos pasivos más pequeños. [3]
La invención del transistor de alta movilidad electrónica (HEMT) suele atribuirse al físico Takashi Mimura (三村 高志), mientras trabajaba en Fujitsu en Japón. [4] La base del HEMT fue el MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ) GaAs (arseniuro de galio) , que Mimura había estado investigando como alternativa al MOSFET estándar de silicio (Si) desde 1977. Concibió el HEMT en la primavera de 1979, cuando leyó acerca de una superred de heterounión dopada modulada desarrollada en Bell Labs en los Estados Unidos, [4] por Ray Dingle, Arthur Gossard y Horst Störmer, quienes presentaron una patente en abril de 1978. [5] Mimura presentó una divulgación de patente para un HEMT en agosto de 1979, y luego una patente ese mismo año. [6] La primera demostración de un dispositivo HEMT, el D-HEMT, fue presentada por Mimura y Satoshi Hiyamizu en mayo de 1980, y luego demostraron el primer E-HEMT en agosto de 1980. [4]
De forma independiente, Daniel Delagebeaudeuf y Tranc Linh Nuyen, mientras trabajaban en Thomson-CSF en Francia, presentaron una patente para un tipo similar de transistor de efecto de campo en marzo de 1979. También cita la patente de Bell Labs como una influencia. [7] La primera demostración de un HEMT "invertido" fue presentada por Delagebeaudeuf y Nuyen en agosto de 1980. [4]
Una de las primeras menciones de un HEMT basado en GaN se encuentra en el artículo de Applied Physics Letters de 1993 , de Khan et al . [8] Más tarde, en 2004, PD Ye y B. Yang et al demostraron un HEMT semiconductor de óxido metálico de GaN (nitruro de galio) (MOS-HEMT). Utilizó una película de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) de deposición de capa atómica (ALD) como dieléctrico de puerta y para pasivación de superficies . [9]
Los transistores de efecto de campo cuyo funcionamiento depende de la formación de un gas de electrones bidimensional ( 2DEG ) se conocen como HEMT. En HEMTS, la corriente eléctrica fluye entre un drenaje y un elemento fuente a través del 2DEG, que se encuentra en la interfaz entre dos capas de diferentes bandas prohibidas , denominada heterounión . [10] Algunos ejemplos de composiciones de capas de heterounión (heteroestructuras) previamente exploradas para HEMT incluyen AlGaN/GaN, [2] AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, [11] y Si/SiGe. [12]
Las ventajas de los HEMT sobre otras topologías de transistores como el transistor de unión bipolar y el MOSFET son temperaturas de funcionamiento más altas de los HEMT basados en GaN en comparación con los MOSFETS basados en Si, [10] mayores resistencias a la ruptura en el caso de los HEMT basados en GaN versus los basados en Si MOSFET, resistencias específicas en estado de encendido más bajas al comparar HEMT basados en GaN con MOSFET basados en Si, [3] y rendimiento de bajo ruido/velocidad de conmutación más alta en el caso de HEMT de InP. [13]
El elemento de banda ancha está dopado con átomos donantes; por tanto, tiene un exceso de electrones en su banda de conducción. Estos electrones se difundirán hacia la banda de conducción del material de banda estrecha adyacente debido a la disponibilidad de estados con menor energía. El movimiento de los electrones provocará un cambio de potencial y, por tanto, un campo eléctrico entre los materiales. El campo eléctrico empujará a los electrones de regreso a la banda de conducción del elemento de banda ancha. El proceso de difusión continúa hasta que la difusión de electrones y la deriva de electrones se equilibran entre sí, creando una unión en equilibrio similar a una unión p-n . Tenga en cuenta que el material de banda prohibida estrecha no dopado ahora tiene un exceso de portadores de carga mayoritarios. El hecho de que los portadores de carga sean portadores mayoritarios produce altas velocidades de conmutación, y el hecho de que el semiconductor de banda prohibida baja no esté dopado significa que no hay átomos donantes que causen dispersión y, por lo tanto, produce una alta movilidad.
En el caso de los HEMT de GaAs, utilizan electrones de alta movilidad generados mediante la heterounión de una capa de suministro de donante de tipo n de banda prohibida ancha altamente dopada (AlGaAs en nuestro ejemplo) y una capa de canal de banda prohibida estrecha no dopada sin impurezas dopantes (GaAs en este caso). Los electrones generados en la delgada capa de AlGaAs de tipo n caen completamente en la capa de GaAs para formar una capa de AlGaAs empobrecida, porque la heterounión creada por diferentes materiales de banda prohibida forma un pozo cuántico (un cañón empinado) en la banda de conducción del GaAs. lado donde los electrones pueden moverse rápidamente sin chocar con ninguna impureza porque la capa de GaAs no está dopada, y del cual no pueden escapar. El efecto de esto es la creación de una capa muy delgada de electrones conductores altamente móviles con una concentración muy alta, lo que le da al canal una resistividad muy baja (o, para decirlo de otra manera, "alta movilidad electrónica").
Dado que GaAs tiene una mayor afinidad electrónica , los electrones libres en la capa de AlGaAs se transfieren a la capa de GaAs no dopada, donde forman un gas de electrones bidimensional de alta movilidad dentro de 100 ångström (10 nm ) de la interfaz. La capa de AlGaAs tipo n del HEMT se agota completamente mediante dos mecanismos de agotamiento:
El nivel de Fermi del metal de la puerta coincide con el punto de fijación, que está 1,2 eV por debajo de la banda de conducción. Con el espesor reducido de la capa de AlGaAs, los electrones suministrados por los donantes en la capa de AlGaAs son insuficientes para fijar la capa. Como resultado, la curvatura de la banda se mueve hacia arriba y el gas de electrones bidimensionales no aparece. Cuando se aplica a la puerta un voltaje positivo mayor que el voltaje umbral, los electrones se acumulan en la interfaz y forman un gas de electrones bidimensional.
Un aspecto importante de los HEMT es que las discontinuidades de las bandas de conducción y valencia se pueden modificar por separado. Esto permite controlar el tipo de portadores que entran y salen del dispositivo. Como los HEMT requieren que los electrones sean los portadores principales, se puede aplicar un dopaje gradual en uno de los materiales, reduciendo así la discontinuidad de la banda de conducción y manteniendo igual la discontinuidad de la banda de valencia. Esta difusión de portadores conduce a la acumulación de electrones a lo largo del límite de las dos regiones dentro del material de banda prohibida estrecha. La acumulación de electrones conduce a una corriente muy alta en estos dispositivos. El término " dopaje por modulación " se refiere al hecho de que los dopantes se encuentran espacialmente en una región diferente a la de los electrones que transportan la corriente. Esta técnica fue inventada por Horst Störmer en Bell Labs .
Los MODFET se pueden fabricar mediante crecimiento epitaxial de una capa de SiGe deformada . En la capa tensada, el contenido de germanio aumenta linealmente hasta aproximadamente el 40-50%. Esta concentración de germanio permite la formación de una estructura de pozo cuántico con un alto desplazamiento de banda de conducción y una alta densidad de portadores de carga muy móviles . El resultado final es un FET con velocidades de conmutación ultraaltas y bajo ruido. También se utilizan InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN y otros compuestos en lugar de SiGe. InP y GaN están empezando a sustituir al SiGe como material base en los MODFET debido a sus mejores relaciones de ruido y potencia.
Idealmente, los dos materiales diferentes utilizados para una heterounión tendrían la misma constante de red (espaciado entre los átomos). En la práctica, las constantes de la red suelen ser ligeramente diferentes (por ejemplo, AlGaAs sobre GaAs), lo que da lugar a defectos cristalinos. Como analogía, imaginemos juntar dos peines de plástico con una separación ligeramente diferente. A intervalos regulares, verá dos dientes agruparse. En los semiconductores, estas discontinuidades forman trampas de nivel profundo y reducen en gran medida el rendimiento del dispositivo.
Un HEMT donde se viola esta regla se llama pHEMT o HEMT pseudomórfico . Esto se logra utilizando una capa extremadamente delgada de uno de los materiales, tan delgada que la red cristalina simplemente se estira para adaptarse al otro material. Esta técnica permite la construcción de transistores con diferencias de banda prohibida más grandes de lo que sería posible de otra manera, dándoles un mejor rendimiento. [14]
Otra forma de utilizar materiales de diferentes constantes de red es colocar una capa intermedia entre ellos. Esto se hace en el mHEMT o HEMT metamórfico , un avance del pHEMT. La capa amortiguadora está hecha de AlInAs , con la concentración de indio graduada para que pueda igualar la constante de red tanto del sustrato de GaAs como del canal de GaInAs . Esto trae la ventaja de que se puede lograr prácticamente cualquier concentración de indio en el canal, por lo que los dispositivos se pueden optimizar para diferentes aplicaciones (una concentración de indio baja proporciona un ruido bajo ; una concentración de indio alta proporciona una ganancia alta ). [ cita necesaria ]
Los HEMT hechos de heterointerfaces semiconductoras que carecen de carga de polarización neta interfacial, como AlGaAs/GaAs, requieren un voltaje de puerta positivo o un dopaje de donante apropiado en la barrera de AlGaAs para atraer los electrones hacia la puerta, que forma el gas de electrones 2D y permite la conducción de corrientes de electrones. Este comportamiento es similar al de los transistores de efecto de campo comúnmente utilizados en el modo de mejora, y dicho dispositivo se denomina HEMT de mejora o eHEMT .
Cuando un HEMT se construye a partir de AlGaN / GaN , se puede lograr una mayor densidad de potencia y voltaje de ruptura. Los nitruros también tienen una estructura cristalina diferente con menor simetría, concretamente la de wurtzita , que tiene polarización eléctrica incorporada. Dado que esta polarización difiere entre la capa del canal de GaN y la capa de barrera de AlGaN , se forma una lámina de carga no compensada del orden de 0,01-0,03 C/m . Debido a la orientación del cristal típicamente utilizada para el crecimiento epitaxial ("revestimiento de galio") y la geometría del dispositivo favorable para la fabricación (puerta en la parte superior), esta hoja de carga es positiva, lo que hace que se forme el gas de electrones 2D incluso si no hay dopaje. . Un transistor de este tipo normalmente está encendido y se apagará solo si la puerta está polarizada negativamente; por lo tanto, este tipo de HEMT se conoce como HEMT de agotamiento o dHEMT . Mediante un dopaje suficiente de la barrera con aceptores (por ejemplo, Mg ), la carga incorporada se puede compensar para restaurar el funcionamiento más habitual del eHEMT ; sin embargo, el dopaje p de nitruros de alta densidad es un desafío tecnológico debido a la difusión del dopante en el canal.
A diferencia de un HEMT dopado con modulación, un transistor inducido de alta movilidad de electrones proporciona la flexibilidad de sintonizar diferentes densidades de electrones con una puerta superior, ya que los portadores de carga son "inducidos" al plano 2DEG en lugar de ser creados por dopantes. La ausencia de una capa dopada mejora significativamente la movilidad de los electrones en comparación con sus homólogos dopados con modulación. Este nivel de limpieza brinda oportunidades para realizar investigaciones en el campo del billar cuántico para estudios de caos cuántico o aplicaciones en dispositivos electrónicos ultraestables y ultrasensibles. [15]
