1、二維電子氣與HEMT器件自從進入信息時代，人們對信息傳輸速度的追求腳步就從未停止。而材料科學研究的飛速發展使人們已經能夠制造出許多嶄新的材料，使器件達到了前所未有的水平，這就使得信息傳輸速度不斷提升。隨著半導體異質結的研究趨于成熟,許多異質結的優良特性又一次提高了器件的水平。兩種材料禁帶寬度的不同以及其他特性的不同使異質結具有一系列同質結所沒有的特性，在器件設計上將得到某些同質結不能實現的功能。異質結常具有兩種半導體各自的PN結都不能達到的優良的光電特性，使它適宜于制作超高速開關器件、太陽能電池以及半導體激光器等。我們這里介紹的就是利用異質結的特性，制作出的超高速器件HEMT。一、二維電子氣的

2、形成有許多方法可以制造異質層結構，例如人們熟悉的MOS結構的制造技術。近年來，二維限制系統主要研究對象是化合物半導體異質結構中的二維電子氣（TwoDimensionalGas,2DEG）系統。2DEG的大部分研究工作是以GaAs/AlGaAs異質結構為基礎的。在GaAs與AlGaAs的界面處形成薄的導電2DEG層。為了了解這個導電層是怎么形成的，考慮沿z方向（導電層所在的平面為x、y方向）的導帶和價帶的形狀。兩個能隙寬度不同的半導體材料剛開始接觸時，寬帶隙材料的費米能級高于窄帶隙材料的費米能級。結果電子從寬帶隙材料中溢出，使其僅剩下正電荷，即施主離子。這些空間電荷產生靜電勢，它將引起界面能帶彎

3、曲。平衡以后不同材料的費米能級相等。電子的密度在界面處有一個尖銳的峰（在那里電子的費米能級進入導帶中），形成一個薄的導電層，通常被稱為二維電子氣。在2DEG中，典型的電子濃度范圍為2X1011/cm22X10i2/cm2。這種結構在實際技術上的重要性是可以制造場效應晶體管等高遷移率電子器件，如HEMT器件。金爛優mir-iriaHiaraminrra?bi溝道無錫雜的3朋圖1異質結二維電子氣的形成上述異質結結構與硅MOSFET對比,相當于GaAs代替了Si。寬帶隙AlGaAs代替了熱氧化生成的SiO2。實際上，也有許多富有啟發性的二維限制系統的研究工作是基于硅MOSFEToGateSource

4、DrainOO2DEGBody圖2硅MOSFET中的二維電子氣二、GaAs-AlGaAs異質結二維電子氣的性能1978年首次報道了分子束外延（MBE）調制摻雜的GaAs-AlGaAs超晶格結構中的遷移率增強行為。在超晶格機構中包含交替的GaAs和AlGaAs層，具有較高能隙的AlGaAs中的電子轉移到能隙較小的未摻雜的GaAs中來，因而電子和母體施主雜質的電離中心分離了。由于GaAs的晶格常數和AlGaAs的晶格常數很接近，晶格的失配很小，因而不會引起很多的界面態。在分子束外延的條件下這一界面很陡很平整。在低溫下，異質結界面組分的突變，在界面處產生勢阱，電子在勢阱中和反型層硅MOSFET界面中

5、一樣也形成了量子化的束縛次能帶，在z方向的運動受到束縛。勢阱的深度和次能帶的位置完全是由AlGaAs中摻雜濃度決定的。這就形成了GaAs-AlGaAs中的二維電子氣。載流子在超晶格中的輸運特性部分是和硅反型層中控制電子遷移率的相同機構所控制的。重要的區別是因為構成超晶格的多數材料是極性的，它增強了聲子散射的作用。由于電子和它的體施主中心在空間的分離，使電子所受的庫倫散射大為減弱，因而使遷移率提高，如果在電子和離子之間加一層未摻雜的緩沖層，則遷移率還可以進一步提高。異質結界面的電子遷移率明顯地高于硅反型層的電子遷移率。此外，GaAs中電子遷移率高的另一個原因是電子有效質量小。三、二維電子氣的應用

6、二維電子氣研究領域中一些獨特的物理特性可應用于新器件的研制，近年來比較成功地是利用GaAs-AlGaAs異質結的遷移率增大特性改進場效應管性能，因為提高場效應管頻率的通常措施是減小器件尺寸，當柵長減小到亞微米數量級時，溝道中電場強度會高到足以達到速度-電場曲線的飽和區。有些高速大規模集成電路中的場效應管，即使偏壓低，工作于常數遷移率區，其特征開關時間也與遷移率成反比，每門消耗的能量與遷移率平方成反比，所以提高頻率和速度性能的關鍵在于物色高遷移率材料，盡管三元化合物InGaAs是一努力方向，但工藝不夠成熟，利用調制摻雜GaAs-AlGaAs異質結做溝道的GaAs場效應管同樣可提高遷移率。新結構除

7、了分子束外延全套成熟的MESFET工藝，只是由于GaAs層的不摻雜而減少了溝道中離化雜質散射，提高了遷移率，同時又因為摻雜的AlGaAs層不斷地向異質結界面GaAs勢阱中輸送電子，傳到電流的有效電子數并不減少，還可夾入一層薄的不摻雜AlGaAs隔離層進一步加強這種離化施主和電子的空間分隔作用，使遷移率進一步提高，特別在低溫下，影響遷移率的主要原因雜質散射被有效消除，效果就更明顯。法國湯姆遜公司研制的噪聲二維電子氣MESFET目前已達到水平為：10GHz下噪聲系數NF2.3dB，最大增益Gma=132dB。日本富士通公司用類似結構制成高電子遷移率晶體管（HEMT）,max在300K和77K下的電

8、子遷移率比典型摻雜GaAs場效應管所對應的值分別高出30%和5倍。轉移電導在77K下為通常GaAs場效應管值得3倍多。由于這種新結構的FET在邏輯集成電路中具有速度快、功耗低等優點，所用工藝與雙異質結激光器相近，將來有可能發展GaAs集成電路與激光器集成而具有嶄新功能。此外，MOS結構在強場下各分裂次帶間的躍遷可引起遠紅外輻射，分裂后的次帶裂距為550meV數量級，對應的波長在25250口m范圍，可通過柵壓連續調節的遠紅外發射器和檢測器在軍事上很有實用意義。其它二維電子氣的特性如壓阻效應、負阻效應等，都已經用于實現新型控制器件，但實用上都還有一些問題要解決。四、HEMT器件簡介HEMT（Hig

9、hElectronMobilityTransistor），高電子遷移率晶體管是一種異質結場效應晶體管，又稱為調制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質結晶體管（SDHT）等。這種器件及其集成電路都能工作于超高頻、超高速領域，原因就在于它是利用具有很高遷移率的前面所介紹的二維電子氣來工作的。在信息技術和微電子行業高速發展的今天，微波晶體管作為最重要的半導體器件之一，在許多方面都起著至關重要的作用。隨著無線通信市場的發展，3G網絡的興起，對微波晶體管性能的要求則越來越高。在航天領域，需要半導體器件能在高溫高壓輻射等惡劣條件下穩定工作；在無線通信方

10、面，要求放大器要能在更高的頻率和更高的功率下穩定工作；在因特網的無線寬帶通信方面，對不斷提高的數據傳輸速度的需求，對微波晶體管也提出了同樣的要求。HEMT器件的問世對上述問題有著很重要的意義。HEMT器件的結構如圖3所示，這是以GaAs-AlGaAs異質結為基礎做的HEMT器件。它是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制GaAs-AlGaAs異質結中的2DEG的濃度實現控制電流的。柵電壓可以改變勢阱的深度和寬度，從而可以改變2DEG的濃度，所以能控制HEMT的漏極電流。由于2DEG與處在AlGaAs層中的雜質中心在空間上時分離的，則不受電離雜質散射的影響，所以遷移率很高。HEMT是電壓控制器件，柵極電

11、壓可控制異質結勢阱的深度，則可控制勢阱中2DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。對于GaAs體系的HEMT，通常其中的AlGaAs控制層應該是耗盡的。若AlGaAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在柵壓等于零時就存在有2DEG，為耗盡型器件；反之則為增強型器件。但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高，則工作時就不能耗盡，而且還將出現與S-D并聯的漏電電阻?？傊?，對于HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層的厚度和摻雜濃度，特別是厚度。匕II1：ilS11屯可AD廠iA10葉業TITJ2-DEGj-GaAs圖3HEMT的結構為了實現晶體管的較大擊穿電壓和較快電子漂移速度，AlGaN-GaN異質結構就成為

12、這幾年研究HEMT器件的熱點。AlGaN-GaN異質結構導帶偏移較大，而且在異質結界面附近產生很強的自發極化和壓電極化，感生出很強的界面電荷和電場，積累起高濃度的二維電子氣。由于該二維電子氣是由勢壘層中的電子轉移而來，實現摻雜原子與載流子在空間上的分離，減弱了二者的庫倫作用(即雜質散射)，顯著提高了電子遷移率。而GaN材料寬禁帶、高導熱率的特性決定了AlGaN-GaNHEMT可以有更高的輸出功率和擊穿電壓，承受更高的工作結溫。因此，AlGaN-GaN成為微波大功率器件的重要發展方向之一。五、結束語HEMT器件是對異質結中的二維電子氣的最好的應用之一，隨著微波技術和無線通訊市場的告訴發展，對微波功率放大器的性能提出了更高的要求。以寬禁帶半導體材料GaN為基礎的AlGaN-GaNHEMT因其在高頻、高輸出功率密度、高輸入阻抗等多方面的應用潛能受到人們的青睞。AlGaN-GaN在材料生長、器件結構和制作工藝等多方面已經取得了突破性進展。必將推動異質結二維電子氣