Un transistor de alta movilidad de electrones ( HEMT o HEM FET ), también conocido como FET de heteroestructura ( HFET ) o FET dopado por modulación ( MODFET ), es un transistor de efecto de campo que incorpora una unión entre dos materiales con diferentes brechas de banda (es decir, una heterojunción ) como canal en lugar de una región dopada (como suele ser el caso de un MOSFET ). Una combinación de materiales de uso común 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 atraído la atención debido a su rendimiento de alta potencia.
Al igual que otros FET , los HEMT se pueden utilizar en circuitos integrados como interruptores de encendido y apagado digitales. Los FET también se pueden utilizar como amplificadores para grandes cantidades de corriente utilizando un pequeño voltaje 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 potencia . Se encuentran en muchos tipos de equipos, desde teléfonos celulares, adaptadores de fuente de alimentación y receptores DBS hasta sistemas de radioastronomía y guerra electrónica , como 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 monolíticos de microondas" ( MMIC ), o dentro de circuitos integrados de conmutación de potencia.
Los HEMT son adecuados para aplicaciones donde se requieren alta ganancia y bajo ruido a altas frecuencias, ya que han demostrado ganancia de corriente a frecuencias mayores de 600 GHz y ganancia de potencia a frecuencias mayores de 1 THz. [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 potencia requieren componentes electrónicos pasivos más pequeños. [3]
La invención del transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) se atribuye generalmente al físico Takashi Mimura (三村 高志), mientras trabajaba en Fujitsu en Japón. [4] La base para el HEMT fue el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) de GaAs (arseniuro de galio) , que Mimura había estado investigando como una alternativa al MOSFET de silicio (Si) estándar desde 1977. Concibió el HEMT en la primavera de 1979, cuando leyó sobre una superred de heterojunción 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 más tarde ese 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 manera 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 citan la patente de Bell Labs como 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 1993 de Applied Physics Letters , de Khan et al . [8] Más tarde, en 2004, PD Ye y B. Yang et al. demostraron un HEMT de óxido metálico-semiconductor de GaN ( nitruro de galio) (MOS - HEMT). Utilizaba una película de óxido de aluminio ( Al2O3 ) de deposición de capa atómica (ALD) como dieléctrico de compuerta y para pasivación de superficie . [9]
Los transistores de efecto de campo cuyo funcionamiento se basa en la formación de un gas de electrones bidimensional ( 2DEG ) se conocen como HEMT. En los HEMTS, la corriente eléctrica fluye entre un elemento de drenaje y uno de fuente a través del 2DEG, que se encuentra en la interfaz entre dos capas de diferentes intervalos de banda , denominada heterojunción . [10] Algunos ejemplos de composiciones de capas de heterojunción exploradas previamente (heteroestructuras) para HEMT incluyen AlGaN/GaN, [2] AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, [11] y Si/SiGe. [12]
Las ventajas de los HEMT sobre otras arquitecturas de transistores, como el transistor de unión bipolar y el MOSFET , son las temperaturas de funcionamiento más altas, [10] mayores resistencias de ruptura y resistencias específicas en estado encendido más bajas, [3] todo en el caso de los HEMT basados en GaN en comparación con los MOSFET basados en Si. Además, los HEMT basados en InP exhiben un rendimiento de bajo ruido y velocidades de conmutación más altas. [13]
El elemento de banda ancha está dopado con átomos donantes; por lo tanto, tiene un exceso de electrones en su banda de conducción. Estos electrones se difundirán a la banda de conducción del material de banda estrecha adyacente debido a la disponibilidad de estados con menor energía. El movimiento de electrones provocará un cambio en el potencial y, por lo 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 brecha de banda estrecha sin dopar 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 brecha de banda baja no esté dopado significa que no hay átomos donantes que provoquen dispersión y, por lo tanto, produce una alta movilidad.
En el caso de los HEMT de GaAs, hacen uso de electrones de alta movilidad generados mediante la heterojunción de una capa de donante-suministro 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 fina capa de AlGaAs de tipo n caen completamente en la capa de GaAs para formar una capa de AlGaAs empobrecida, porque la heterojunción creada por diferentes materiales de banda prohibida forma un pozo cuántico (un cañón empinado) en la banda de conducción en el lado de GaAs donde los electrones pueden moverse rápidamente sin colisionar con ninguna impureza porque la capa de GaAs no está dopada y de la que 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 de electrones").
Como el GaAs tiene una mayor afinidad electrónica , los electrones libres de la capa de AlGaAs se transfieren a la capa de GaAs sin dopar, donde forman un gas electrónico bidimensional de alta movilidad a 100 ångström (10 nm ) de la interfaz. La capa de AlGaAs de tipo n del HEMT se agota por completo a través de dos mecanismos de agotamiento:
El nivel de Fermi del metal de la compuerta se corresponde con el punto de fijación, que se encuentra 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 compuerta 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 banda a lo largo 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 principales portadores, se puede aplicar un dopaje graduado en uno de los materiales, haciendo así que la discontinuidad de la banda de conducción sea más pequeña y manteniendo la discontinuidad de la banda de valencia igual. Esta difusión de portadores conduce a la acumulación de electrones a lo largo del límite de las dos regiones dentro del material de banda estrecha. La acumulación de electrones conduce a una corriente muy alta en estos dispositivos. El término " dopaje de modulación " se refiere al hecho de que los dopantes están espacialmente en una región diferente de los electrones que transportan la corriente. Esta técnica fue inventada por Horst Störmer en Bell Labs .
Los MODFET se pueden fabricar mediante el crecimiento epitaxial de una capa de SiGe deformada . En la capa deformada, el contenido de germanio aumenta linealmente hasta alrededor del 40-50%. Esta concentración de germanio permite la formación de una estructura de pozo cuántico con un alto desplazamiento de la 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 nivel de ruido. También se utilizan InGaAs / AlGaAs , AlGaN / InGaN y otros compuestos en lugar de SiGe. InP y GaN están comenzando a reemplazar a SiGe como material base en los MODFET debido a sus mejores relaciones de ruido y potencia.
Lo ideal sería que los dos materiales diferentes utilizados para una heterojunción tuvieran la misma constante de red (espaciado entre los átomos). En la práctica, las constantes de red suelen ser ligeramente diferentes (por ejemplo, AlGaAs sobre GaAs), lo que da lugar a defectos en los cristales. Como analogía, imagine que junta dos peines de plástico con un espaciado ligeramente diferente. A intervalos regulares, verá que dos dientes se agrupan. En los semiconductores, estas discontinuidades forman trampas de nivel profundo y reducen en gran medida el rendimiento del dispositivo.
Un HEMT en el que se viola esta regla se denomina 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 mayores de las que serían posibles de otra manera, lo que les otorga un mejor rendimiento. [14]
Otra forma de utilizar materiales con 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 intermedia está hecha de AlInAs , con la concentración de indio graduada de modo que pueda coincidir con 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 baja concentración de indio proporciona un bajo nivel de ruido ; una alta concentración de indio proporciona una alta ganancia ). [ cita requerida ]
Los HEMT fabricados con heterointerfaces semiconductoras que carecen de carga de polarización neta interfacial, como AlGaAs/GaAs, requieren un voltaje de compuerta positivo o un dopaje donante adecuado en la barrera de AlGaAs para atraer los electrones hacia la compuerta, 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 un dispositivo de este tipo se denomina HEMT de mejora o eHEMT .
Cuando se construye un HEMT 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 una simetría menor, a saber, el de wurtzita , que tiene polarización eléctrica incorporada. Dado que esta polarización difiere entre la capa de 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 que se usa típicamente para el crecimiento epitaxial ("con cara de galio") y la geometría del dispositivo favorable para la fabricación (puerta en la parte superior), esta lámina 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 ), se puede compensar la carga incorporada para restablecer el funcionamiento más habitual del eHEMT ; sin embargo, el dopaje p de alta densidad de nitruros es tecnológicamente desafiante debido a la difusión del dopante en el canal.
A diferencia de un HEMT dopado por modulación, un transistor de alta movilidad electrónica inducida proporciona la flexibilidad de ajustar diferentes densidades electrónicas con una compuerta 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 la movilidad electrónica significativamente en comparación con sus contrapartes dopadas por modulación. Este nivel de limpieza brinda oportunidades para realizar investigaciones en el campo del billar cuántico para estudios del caos cuántico o aplicaciones en dispositivos electrónicos ultra estables y ultra sensibles. [15]
