Транзистор с высокой подвижностью электронов, сокращённо HEMT (High Electron Mobility Transistor), занимает особое место среди полупроводниковых приборов. Его главный принцип состоит в пространственном разделении носителей заряда и примесных атомов, которые эти носители поставляют. Благодаря такому разделению электроны движутся в канале почти без рассеяния на ионизированных примесях, а подвижность возрастает в несколько раз по сравнению с обычным легированным полупроводником. Именно это свойство сделало HEMT основным прибором малошумящих усилителей спутниковых приёмных головок, фазированных антенных решёток радаров и мощных усилителей базовых станций связи. Статья разбирает физику гетероперехода AlGaAs/GaAs, механизм формирования двумерного электронного газа, преимущества широкозонного нитрида галлия с шириной запрещённой зоны 3.4 эВ, а также сравнивает HEMT с кремниевыми транзисторами по частоте, пробойному напряжению и удельной мощности.
Гетеропереход AlGaAs/GaAs и зонная инженерия
Классический транзистор HEMT строится на гетероструктуре, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии или газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. На подложку из арсенида галлия последовательно наносят буферный слой GaAs, затем нелегированный слой GaAs, который станет каналом, тонкий нелегированный слой-спейсер AlGaAs и легированный донорами слой AlGaAs толщиной несколько десятков наномеров. Поверхность закрывают сильнолегированным контактным слоем GaAs, на котором формируют омические контакты истока и стока, а также контакт затвора с барьером Шоттки.
Ключевой эффект возникает на границе двух материалов с разной шириной запрещённой зоны. Арсенид галлия имеет ширину запрещённой зоны около 1.42 эВ, а твердый раствор AlGaAs с долей алюминия порядка 0.2-0.3 обладает шириной зоны примерно 1.8-1.9 эВ. На границе этих материалов дно зоны проводимости терпит скачок примерно на 0.2-0.3 эВ. Электроны, покидая донорные атомы в широкозонном слое AlGaAs, скатываются по энергии в узкозонный GaAs и накапливаются в тонкой потенциальной яме, образованной изломом зон непосредственно у границы раздела. Донорные атомы остаются в AlGaAs, а электроны уходят в чистый нелегированный GaAs. Слой-спейсер толщиной 2-10 нм дополнительно разносит электроны и ионизированные доноры в пространстве, ослабляя кулоновское взаимодействие между ними. Толщина самой потенциальной ямы, в которой сидят электроны, составляет всего 5-15 нм, что сравнимо с де бройлевской длиной волны электрона. Движение поперёк границы оказывается квантованным: электрон занимает одну или две подзоны и свободно перемещается только вдоль плоскости гетерограницы. Так рождается двумерный электронный газ, сокращённо 2DEG.
Для усиления эффекта в современных структурах применяют псевдоморфный канал из InGaAs, вставленный между слоями GaAs и AlGaAs. Такой прибор называют pHEMT. Долька индия понижает дно зоны проводимости канала, увеличивает скачок зон и повышает как концентрацию 2DEG, так и подвижность электронов. Решётка InGaAs слегка растянута под параметр GaAs, но при толщине 10-15 нм эта деформация не приводит к дислокациям и даже улучшает транспортные свойства.
Двумерный электронный газ и рекордная подвижность
В обычном легированном полупроводнике электрон проводимости буквально продирается сквозь лес ионизированных атомов примеси, которые его же и породили. Каждое столкновение с заряженным центром отклоняет траекторию и ограничивает подвижность. В кремниевом канале при комнатной температуре подвижность электронов составляет около 1500 см²/В·с. В объёмном GaAs она выше, примерно 8500 см²/В·с в чистом материале, но сильно падает при легировании. В двумерном газе HEMT примесные атомы находятся в соседнем слое, поэтому рассеяние на них минимально. При комнатной температуре подвижность электронов в 2DEG структур AlGaAs/GaAs достигает 8000-10000 см²/В·с, а при охлаждении до температуры жидкого гелия в специально очищенных образцах измерены значения выше десяти миллионов см²/В·с. На таких структурах, кстати, был открыт дробный квантовый эффект Холла.
Основными механизмами рассеяния в 2DEG остаются оптические фононы при комнатной температуре, рассеяние на шероховатостях гетерограницы и остаточное удалённое рассеяние на донорах сквозь спейсер. Качество эпитаксии здесь критично: атомно-гладкая граница и точный состав слоёв напрямую определяют параметры готового транзистора.
Высокая подвижность означает высокую скорость дрейфа при умеренном поле и малые паразитные сопротивления доступа к каналу. В короткоканальном HEMT с длиной затвора 0.1-0.25 мкм электрон пролетает под затвором за единицы пикосекунд. Отсюда граничная частота усиления по току fT выше 100 ГГц для GaAs pHEMT с затвором 100-130 нм, а лабораторные образцы с затвором до 50 нм показывают fT свыше 300-600 ГГц. Для сравнения, кремниевые МОП-транзисторы достигают подобных частот ценой крайне короткого канала и сильного легирования, что ухудшает шумы и пробойные характеристики.
Нитрид галлия и переход к мощным СВЧ приборам
Гетероструктуры AlGaN/GaN перенесли идею HEMT на широкозонный материал. Нитрид галлия имеет ширину запрещённой зоны 3.4 эВ против 1.42 эВ у GaAs и 1.12 эВ у кремния. Отсюда следует критическое поле пробоя порядка 3.3 МВ/см, примерно в десять раз выше, чем у кремния. Транзистор на GaN выдерживает напряжение стока 28-50 В в серийных изделиях, а приборы с увеличенным зазором затвор-сток работают при 100 В и выше. Для сравнения, GaAs pHEMT обычно ограничен напряжением стока 6-12 В, а кремниевые СВЧ МОП-транзисторы заметно уступают по сочетанию вольтажа и частоты.
Особенность системы AlGaN/GaN состоит в том, что двумерный газ образуется вообще без легирования барьерного слоя. Материалы нитридной системы обладают сильной спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, и скачок поляризации на границе AlGaN/GaN создаёт фиксированный положительный заряд. Этот заряд притягивает электроны в яму у гетерограницы, формируя 2DEG с плотностью порядка 1·10¹³ см⁻². Толщина двумерного слоя, как и в арсенидной системе, составляет единицы нанометров, порядка 5-10 нм.
Сочетание высокой плотности заряда, большого пробойного поля и приемлемой подвижности 1500-2000 см²/В·с даёт главный результат: рекордную плотность мощности. Серийные GaN HEMT на карбиде кремния отдают 5-10 Вт на миллиметр ширины затвора, а лабораторные образцы демонстрируют свыше 10 Вт/мм. GaAs-технология даёт около 1 Вт/мм, а кремниевые LDMOS-транзисторы ещё меньше. Подложка из карбид кремния с теплопроводностью около 490 Вт/м·К отводит тепло, что критично при таких плотностях рассеиваемой энергии. Слабым местом GaN HEMT остаются поверхностные состояния и эффект просадки тока после импульсов высокого напряжения, который подавляют пассивацией нитридом кремния и полевыми пластинами затвора.
Транзисторы нормально закрытого типа требуют дополнительных ухищрений: углублённого затвора с частичным травлением барьера, p-GaN слоя над каналом или каскодного включения с кремниевым транзистором. Именно p-GaN и каскодные схемы доминируют в силовых GaN-приборах на 650 В для импульсных источников питания.
Малошумящие усилители и приёмные тракты
Главная историческая заслуга GaAs HEMT связана с малошумящими усилителями, сокращённо МШУ или LNA. Высокая подвижность и малые сопротивления доступа снижают тепловой шум канала, а короткий Т-образный затвор уменьшает паразитное сопротивление затвора, которое прямо входит в формулу коэффициента шума. Промышленные pHEMT МШУ на частоте 12 ГГц, рабочей зоне спутникового телевещания, обеспечивают коэффициент шума менее 1 дБ при усилении 12-15 дБ на каскад. Криогенно охлаждаемые HEMT усилители радиотелескопов показывают шумовую температуру в единицы кельвинов.
Типовая приёмная цепочка спутниковой головки, конвертера LNB, выглядит так:
- Сигнал с облучателя антенны поступает на первый каскад LNA на GaAs pHEMT, который задаёт шум всей системы.
- Второй каскад LNA поднимает усиление до 25-30 дБ.
- Полосовой фильтр подавляет внеполосные помехи.
- Смеситель переносит сигнал 10.7-12.75 ГГц вниз на промежуточную частоту 950-2150 МГц с гетеродином на диэлектрическом резонаторе.
- Усилитель промежуточной частоты компенсирует потери в кабеле к ресиверу.
Помимо спутниковых конвертеров, GaAs HEMT и InP HEMT применяют в радиоастрономии, радиометрах, системах радиотехнического контроля и измерительных приборах. Индиевые HEMT на подложке InP с каналом InGaAs держат рекорд по fT выше 700 ГГц и работают в приёмниках диапазонов 100-300 ГГц для радиоастрономии и милиметроволнового зондирования.
Радары, базовые станции и передатчики
Мощная ветвь применения HEMT связана с передающими трактами. В активных фазированных антенных решётках радаров каждый приёмо-передающий модуль содержит выходной усилитель мощности, и здесь GaN HEMT вытесняет и GaAs, и вакуумные приборы. Плотность мощности 5-10 Вт/мм позволяет уменьшить число параллельных ветвей суммирования и упростить схему объединения мощности. Радары дециметрового и сантиметрового диапазона на GaN работают с напряжением питания 28-50 В, что упрощает вторичные источники питания по сравнению с высоковольтными ламповыми усилителями.
Базовые станции сотовой связи диапазонов до 6 ГГц массово перешли на GaN HEMT на карбид кремния. Один транзистор с суммарной шириной затвора порядка 40-120 мм выдаёт сотни ватт пиковой мощности в схемах Доэрти с кпд 50-60 процентов на откате. Кремниевые LDMOS долго держали этот рынок благодаря дешевизне, но по кпд, полосе и рабочей частоте уступают нитридным приборам. В миллиметроволновых сетях пятого поколения на 24-40 ГГц используют и GaN, и GaAs pHEMT, а также кремний-германиевые HBT, где они проигрывают по мощности на выходе каскада.
Сравнение с кремнием и перспективы развития
Кремний остаётся безусловным лидером цифровой электроники, однако в СВЧ и силовом сегменте его фундаментальные ограничения очевидны. Подвижность электронов 1500 см²/В·с против 8000-10000 см²/В·с в 2DEG арсенидных структур означает более высокое сопротивление канала и худшие шумы. Критическое поле пробоя кремния около 0.3 МВ/см против 3.3 МВ/см у GaN ограничивает рабочие напряжения и плотность мощности. Кремниевые NMOS достигают fT порядка 200-300 ГГц только в 28-нанометровых узлах с крайне тонким каналом, но пробойное напряжение таких приборов падает до 1-2 В, что делает их непригодными для усилителей мощности. Произведение частоты на напряжение, фигура заслуги Джонсона, у GaN выше кремниевого в тысячу и более раз.
Экономика работает в пользу кремния: пластины 300 мм и отлаженные фабрики дают минимальную цену на квадратный миллиметр кристалла. Поэтому индустрия идёт двумя путями. Первый путь состоит в переносе GaN эпитаксии на кремниевые подложки диаметром 200 мм, что резко удешевляет силовые и СВЧ приборы ценой несколько худшего теплоотвода, поскольку теплопроводность кремния 150 Вт/м·К против 490 у карбид кремния. Второй путь заключается в монолитной и гибридной интеграции HEMT с кремниевыми схемами управления, где нитридный прибор выполняет мощную функцию, а кремний отвечает за логику, драйверы и защиту.
Дальнейшее развитие связано с усовершенствованием материалов. Структуры с барьером AlN толщиной единицы нанометров поднимают концентрацию 2DEG сверх 2·10¹³ см⁻², каналы из ScAlN обещают ещё больший поляризационный заряд, а сверхширокозонный оксид галлия с шириной запрещённой зоны около 4.8 эВ рассматривается как следующий шаг после GaN. В миллиметроволновом диапазоне InP HEMT и GaN HEMT с Т-образным затвором до 20-30 нм продвигают границу рабочих частот к 500 ГГц и выше, открывая дорогу приёмникам и передатчикам терагерцового диапазона. Три десятилетия после изобретения двумерного электронного газа как инженерной платформы HEMT остаётся эталоном сочетания скорости, шума и мощности, и сменить его на этом троне в ближайшие годы некому.