MMIC技术：伪形态高电子迁移率晶体管（pHEMT）

介绍

伪形态高电子迁移率晶体管（pHEMT）是单片微波集成电路（MMIC）设计人员和晶圆厂用来开发和制造微波集成电路的一种技术。pHEMT因其卓越的宽带性能特性，包括低噪声系数，高OIP3和高达40 GHz及以上的出色可靠性，作为电子制造商（如Mini-Circuits）生产的许多MMIC的构建模块而广受欢迎。pHEMT使用不同成分的半导体和带隙之间的异质结来实现出色的高频性能。本文深入探讨了pHEMT操作的物理原理、优势和可靠性测试结果。还提供了Mini-Circuits的pHEMT产品摘要的链接。

场效应晶体管（FET）系列[1]

在最简单的形式中，场效应晶体管（FET）由三个端子组成：源极、漏极和栅极，如图1所示。从源极到漏极的载流子（电子/空穴）的流动由施加到栅极的电场控制，因此得名场效应晶体管。

图 1：FET 的简化原理图

在实际实践中，这种简单的结构扩展到整个设备系列，具体取决于其实现方式。本文重点介绍HEMT/pHEMT。

评论：晶体结构，晶格常数和摩尔分数[1，2]

简要回顾一些基本术语将有助于灌输对HEMT和pHEMTs的基本物理原理的理解。

像GaAs这样的晶体具有原子的周期性放置。可以复制以形成整个晶体的最小原子组合称为原始细胞。图 2 显示了 GaAs 的原始单元格。立方体的尺寸称为格常数“a”，通常以埃，Å（1Å = 10-10m）表示，是温度的函数。例如，砷化镓的晶格常数在300K时为5.653 Å。

图 2：砷化镓基元单元

表达化合物中物质相对量的一种方法是使用称为摩尔分数的度量。摩尔分数X是混合物中一种物质的摩尔数与所有物质的摩尔总数之比。对于两种物质A和B的混合物，每种物质的摩尔分数将写如下：

外延 [1，6，14]

了解外延的概念很重要，因为大多数半导体晶圆制造都依赖于它。从希腊语的词根“epi”和“taxis”中，epitaxy这个词的意思是“安排”。外延生长始于基材，在其上生长与基材或不同材料相同材料的薄膜。外延，或工业简称“epi”，是一种独特的生长模式，其中沉积膜的晶体结构与基板的晶体结构相匹配，随着层的沉积，原子对原子。

例如，AlGaAs在GaAs上的生长必须导致没有界面缺陷的原子键合，才能适用于电子产品。其中一种技术是分子束外延（MBE），其中加热元素（如Al，Ga和As）的蒸发或升华导致分子束撞击保持在非常低压力（10-5托）的加热GaAs基底。Si等掺杂剂在生长过程中被掺入层中。Epi生长以每秒1个原子层的速度发生。一秒钟是一个相对较长的时间，因此可以精确控制外延生长。pHEMTS/HEMTS是在外延晶圆上制造的。

带隙工程

带隙理论的基础知识在本系列的前一篇文章[3]中进行了讨论。带隙工程使电子学中许多令人兴奋的新创新成为可能，其中形成各种元素的化合物以实现所需的带隙。带隙工程产品的重要用途包括LED，激光器，HEMT / pHEMT，HBT（将在下一篇文章中介绍）和许多其他产品。

图3：各种半导体材料的晶格常数与带隙的关系。

半导体材料，包括元素和化合物，都定义了晶格常数和带隙[1，4，5，6]。图3显示了各种晶体（如GaAs，AlAs，InAs等）的带隙能量与晶格常数的关系。通过形成各种半导体的化合物，可以设计带隙或将其改变为所需的值。例如，砷化镓和AlAs的化合物是AlGaAs;通过改变摩尔分数，可以实现从1.42eV（砷化镓）到2.12eV（阿拉斯）的各种带隙。类似地，InGaAs可以具有0.36eV至1.42eV的带隙，具体取决于其成分的摩尔分数。请注意，GaAs和Ala的晶格常数非常相似。因此，AlGaAs的晶格常数与GaAs/AlAs的晶格常数非常相似。当形成GaAs和AlGaAs的异质结时，这是一个有价值的属性，并且允许较厚的AlGaAs材料在GaAs上外延生长，而不会产生晶格不匹配相关的缺陷。对于镓镓，情况并非如此，因为晶格常数可以从5.65变为6.06Å，这会产生晶格不匹配和表面缺陷。

图 4：伪同态结

图4显示了两种具有不同晶格常数的材料：as（基板）和ae（外延材料）。在图4（a）中，底物和外延生长层单独显示。图4（b）显示了在基板上生长的薄层。在这种情况下，epi材料拉伸以匹配基板的晶格常数（如可以拉伸的薄层橡胶），从而不会断裂键。当外延层较厚时，它不再具有弹性（如无法拉伸的厚橡胶），导致键断裂并产生不良缺陷。

如果外延材料的厚度低于临界厚度，则可以在不产生缺陷的情况下生长应变层。这种结称为伪同态结，用于pHEMT，其中pHEMT中的“p”代表伪同态。

临界厚度定义为[1] ：

其中ae和as是外延层和基板层的晶格常数。

费米-狄拉克分布 [1]

费米能级的概念可以理解异质结能带图。根据泡利不相容原理，没有两个费米子（电子/质子/中子）可以具有相同的量子态集，并且电子根据费米-狄拉克分布分布成可用的能级：

其中 f（Ε） 是能量状态 Ε 的占用概率，kB 是玻尔兹曼常数，EF 是费米能级，T 是以开尔文为单位的温度。本征半导体中的费米能级非常接近带隙的中间。为简单起见，将仅显示导带的底部和价带的顶部，这是技术文献中的实践（见图5）。

图5：简化带隙图，显示价带顶部和导带底部。

同质结（具有相同材料的N区和P区）

为了了解pHEMT的工作原理，必须了解能带图[17]。让我们在使用相同材料（同结）的P-N结二极管上尝试一下。图6显示了推导能带图的方法。费米能级接近n掺杂材料中导带的顶部，接近p掺杂材料中的价带。

图6：相同材料（同质）的P-N结的能量带图

图 6a）显示了一个 P-N 结点。电子从N-材料扩散到P-材料中，并在此过程中留下带正电的原子/分子。类似地，空穴从P材料扩散到N材料，并在此过程中留下带负电荷的原子/分子。图6b）显示了电荷密度。

图 6c）显示了电气字段 E，其中ε是介电常数，ρ是电荷密度。图6d）显示了产生的电压，其中：图6e）显示了所得势能-eV。

这是波段必须弯曲或调整的量，如下图所示，以考虑扩散。图6f）显示了隔离的P-N结（无冶金接触），图6g显示了相应的带状图。请注意，N型和P型材料的电子亲和力是相同的，因为它们不受掺杂类型的影响。例如，是带隙。费米能级接近N型材料的导带，接近P型材料的价带。qχ1和qχ2是电子亲和力，定义为将电子从导带底部除去到晶体外部真空所需的能量。qχ1对于同质结等于qχ2，但对于异质结是不同的。亲和力是绘制异质结波段图中非常重要和有用的参数。

图6h）显示了P-N结（在冶金接触中）的能量带图。请注意，波段已经弯曲了图6e所示的量，还注意到费米电平在整个过程中是恒定的。

MESFET（金属半导体场效应晶体管）

在讨论pHEMT之前，让我们先来看看MESFET的操作，这将有助于为理解pHEMT及其优点奠定基础。

在MESFET中，GaAs是有源层/通道的半导体材料，栅极由金属-半导体结形成，如图7所示。

图 7：MESFET 结构

通道掺杂n型杂质，产生自由电子和电离的供体原子。通过从栅极到源极施加适当幅度的负电压，可以捏住通道宽度，并且在极端情况下，通道可以完全关闭，因此电流不会从源头流向漏极。该电压称为夹断电压，VP。MESFET的唯一缺点是带正电的离子会减慢电子从源极到漏极的传播速度。在技术文献中，这被称为库仑散射。HEMT/pHEMT旨在消除库仑散射并加速电子流，从而增加操作频率。

MESFET在80年代和90年代非常受欢迎，用于微波放大器，开关和其他组件。pHEMT最终取代MESFET成为首选技术，导致大多数MESFET代工厂关闭，许多代工厂转向pHEMT工艺。

异质结类型 [1]

如前所述，pHEMTs/HEMT通过使用异质结来加速通道中的电子流动，以避免库仑散射。当两种不同类型的半导体材料（材料#1和材料#2）并排连接在一起时，冶金学上会产生三种不同类型的能带类型，如图8所示。Ec和EV是导通和价带能级，qχ是电子亲和力。

图8：异质结的类型

跨式异质结是HEMT/pHEMT中使用的结类型，因为它能够实现pHEMT操作所需的2D电子气体形成，如下所示。

HEMT/pHEMT

现在，让我们回顾一下HEMT/pHEMT中使用的异质结，以及它们如何帮助提高电子迁移率。图9显示了n型掺杂的AlGaAs、p掺杂的GaAs异质结和相应的能带图。

图9：异质结能带图

图9a）至9e）分别显示了异质P-N结、电荷密度、电场、电压和势能。请注意与图6a至图6e所示谐波结的相似性。

图9f）显示了孤立的P-N异质结（无耗尽区域）。

图9g）显示了对应于9f的能量图）。请注意，带隙 Eg1 和 Eg2 不同，Eg1比 Eg2 宽。还要注意，电子亲和力 qχ1和 qχ2是不同的;qχ1小于 qχ2。这导致ΔEc的导带不连续性和ΔEv的价带不连续性。正如我们将要展示的那样，此属性是pHEMT操作的关键。

现在让我们回顾一下冶金接触中异质结的带状图（见图9e）。直到交汇点，波段弯曲，看起来与Homo交汇点中的波段相似。在结处，需要考虑带不连续性ΔEc和ΔEv，结果是电子积聚的三角形阱。这被称为2D电子气体。当P型材料轻度掺杂或未掺杂时，2D电子气体区域中的电子在运动中遇到很少或没有带电原子，没有库仑散射，并且它们以更高的迁移率流动，这减少了运输时间并增加了操作频率，我们将在后面看到。

2D电工气体的这一发现于1978年由新泽西州的贝尔实验室首次报道[7]。富士通的三村在这种结构中增加了一个栅极，将其转换为3端FET，并将其称为高电子迁移率晶体管或HEMT [8，9]。Mimura报告称，在77K时移动性提高了5.5倍，在300K时提高了1.23倍。这项发明推动了进一步的研究，随后出现了几项智能创新，例如使用不同的材料和兴奋剂特征[1，4，6]。

HEMT器件的外延结构如图10所示[6]。源极和漏极靠近2D电子气体层，栅极位于n-AlGaAs层上。

图10：HEMT的外延结构

HEMT结构的操作由Mimura [8]在他的原始评论论文中解释如下。

图 11：较厚、中等（D 模式）和较薄（E 模式）AlxGa1-xAs 层的 HEMT 的能量带图（从左到右）

图11（a）显示了厚厚的AlxGa1-xAs层。这导致靠近栅极的耗尽区域，中间有电荷中性区域，AlxGa1-xAs/GaAs层的异质界面处有耗尽区域。来自n型AlxGa1-xAs的电子被转移到未掺杂的GaAs侧并停留在量子阱中。在这里，电荷中性区域屏蔽了栅极的电场。因此，砷化镓中的电荷流无法控制，也没有用。

D-mode HEMT（图11（b））具有中等厚度的AlxGa1-xAs层，其中耗尽区域合并，栅极电压到达电子积累层并控制电子流。

E-Mode HEMT（图11（c））具有薄的AlxGa1-xAs层，其中“AlGaAs表面上费米能级的固定点低于GaAs层的导带，当施加高于阈值的正栅极电压时，电子积累层消失，并在界面处感应电子积累层。[9]

E模式HEMT的一个早期应用是射电望远镜中使用的低噪声放大器。这些新器件取代了昂贵的参数放大器。此后，该发明刺激了全球HEMT/pHEMT在无数应用中的发展。

在D模式（耗尽模式）pHEMT中，FET在零栅极电压下为“ON”，并且由于存在2-D电子气体，源至漏极电阻较低。如果在施加栅极电压之前施加漏极至源极电压，则漏极电流将非常高，并且器件可能由于过热而被破坏。为避免这种情况，需要如下电压排序：

1） 首先施加超出夹紧的栅极电压

2） 然后将漏极施加到源电压

3） 最后，调整栅极电压，实现所需的漏极电流。

这可能需要外部电压排序电路，从而增加成本和复杂性。有时使用自我偏见来避免这种情况。

在E模式（增强模式）pHEMT中，零栅极电压下不存在2-D电子气体，并且漏源电阻很高。因此，在栅极电压之前应用漏极至源极电压是可以的，并简化了偏置电路设计。

图12和图13显示了D模式和E模式pHEMT的I-V曲线。

在D模式pHEMT（图13）[10]中，当VGS =-0.2V时，IDS约为170 mA，而VGS= -1V时，IDS几乎为0 mA，正如预期的那样。

图 12：D 模式 pHEMT（微型电路 SAV-331+）与栅极电压的 I-V 曲线

在 E 模式 FET（图 13）[11] 中，行为完全相反，在低VGS = +0.2V 时，IDDS为 ~0mA，而当 VGS = +0.6V 时，IDS 为 ~100 至 120 mA，正如预期的那样。

pHEMT放大器通常具有低噪声系数、中等功率、高OIP3和良好的增益，这使其对广泛的应用要求具有吸引力。

图 13：E 模式 pHEMT（微型电路 SAV-581+）与栅极电压的 I-V 曲线

商用晶圆：一个例子[12]

商业代工厂现在通常提供E-D模式晶圆，这使得在同一晶圆上实现E模和D模FET成为可能。图 14 显示了一个示例。在这里，半导体是AlGaAs和InGaAs，它们中的每一个都有不同的晶格常数，因此形成伪态结。硅Δ掺杂的AlGaAs（薄层中的高浓度掺杂剂）作为供体。固有的InGaAs充当通道。在i-InGaAs通道的两侧添加一层薄薄的AlGaAs垫片，将InGaAs通道与Delta掺杂层分开，以避免库仑散射。

图14：E-D模式外延结构（不按比例）

可靠性[见注1]

pHEMT技术自发明以来已经成熟，并在其发展过程中表现出出色的可靠性。pHEMT 器件在1000至 5000 小时内，在结温 （Tj）下，通常通过高温工作寿命测试 （HTOL ）。在最高工作温度的工作条件下，精心设计的放大器的结温为130°C或更低。因此，即使在最高额定工作温度下，pHEMT也能提供出色的可靠性。

例如，Mini-Circuits的PMA3-83LN+在180°C的结温下对78个样品通过了1000小时的HTOL。基于这些测试计算的平均故障时间（MTTF） 如图 14 所示。

图15：MTTF与PMA3-83LN+结温的关系

请注意，在最高工作温度和额定电流下，Tj 为 109°C。从图15开始，在109°C时，MTTF为3.8 x107小时（或4300年），置信度为90%。这是非常可靠的。

微型电路部件的设计要求是高可靠性。设计人员会考虑热方面，并将Tj设定为在最高环境温度下低于130°C 。这通过热成像进行验证，可靠性通过HTOL进行验证（注1）。如果不满足这些条件，则重新设计产品。

电路应用

pHEMT放大器设计的一些示例包括PMA、PHA和AVA系列中的低噪声和宽带型号，频率可达43.5 GHz及更高频率。截至2021年7月，Mini-Circuits提供多种完全基于砷化镓的pHEMT放大器产品组合。一些新的放大器目前处于不同的设计和认证阶段。

除放大器外，Mini-Circuits还提供带内置驱动器的高速开关。例如，M3SWA2-63DRC+ SPDT 开关可实现纳秒级开关速度，达到 6 GHz。该模型使用单个芯片，而不是双芯片解决方案（如CMOS驱动器+ pHEMT/MESFET射频芯片），以降低成本。它还具有更宽的直流至6 GHz带宽，而使用双芯片解决方案的带宽为0.5至6GHz（如VSWA2-63DR +）。

结论

异质结技术为外显设计人员提供了带隙工程的自由，并产生了用于pHEMT的成熟、可靠的技术。Mini-Circuits设计并生产了各种低噪声和宽带放大器和开关，使用该技术达到43.5 GHz。除pHEMT外，Mini-Circuits还使用异质结双极晶体管（HBT）技术，该技术与pHEMT相比具有某些优势，例如更好的1/f噪声[17]。HBT 将在本系列的下一篇文章中介绍。

术语表

MMIC：单片微波集成电路

场效应晶体管：场效应晶体管

HEMT：高电子迁移率晶体管

pHEMT：伪态高电子迁移率晶体管

发光二极管：发光二极管

HBT：异质结双极晶体管

原始细胞：可以复制以形成整个晶体的最小原子组合

晶格常数：基元单元的维数

外延/外延：独特的生长模式，其中生长膜的晶体结构与底物的晶体结构相匹配

带隙：半导体和绝缘体中从价带顶部到导带底部的能量间隙

引用

1. S.M.Sze et.al.， “半导体器件的物理”， Wiley， 2021

2. 14.12：摩尔分数 – 化学自由文本

3. 射频半导体（MMIC）入门 – 微型电路博客（minicircuits.com）

4. Fazal Ali & AdityaGupta， “HEMT and HBTs：Devices， Fabrication and Circuits”，Artech House， 1991.

5. https://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-091sc-introduction-to-solid-state-chemistry-fall-2010/electronic-materials/14-semiconductors/MIT3_091SCF09_lec14.pdf

6. Sammy Kayali，George Ponchak，Roland Shaw，“GaAs MMIC空间应用可靠性保证指南”，JPL出版物96-25，1996年12月15日

7. R. Dingle et.al，“调制掺杂半导体异质结超晶格中的电子迁移率”，应用物理学Lett。33, 665 (1978)

8. T. Mimura， S. Hiyamizu， T. Fujii， and K. Nanbu， “一种具有选择性掺杂GaAs/n-AlGa作为异质结的新型场效应晶体管”，Jpn. J. Appl. Phys.，第19卷，第5期，第L225-L227页，1980年。

9. Takashi Mimura，“高电子迁移率晶体管（HEMT）的早期历史”，IEEE Trans on MTT，PP780-782，第50卷，第3期，2002年3月

10.https://www.minicircuits.com/pages/s-params/SAV-331+_GRAPHS.pdf

11.https://www.minicircuits.com/pages/s-params/SAV-581+_GRAPHS.pdf

12.Y. Y. Hsieh et.al，“使用6英寸砷化镓的增强和耗尽模式pHEMT具有成本效益的生产工艺”，第111-114页，2004年IEEE CSIC文摘

13.T. Mimura，“半导体器件”，日本专利 1 409643，1987 年 11 月24 日。

14.美国专利 4，424，525

15.https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/heteroepitaxy

16.https://blog.minicircuits.com/additive-phase-noise-in-amplifiers/

17.https://youtube.com/watch?v=5FjSxfp8ueI&feature=share（关于异质交汇点的优秀教程）

笔记

[1]上述平均故障时间（MTTF）和/或时间故障（FIT）数据仅作为潜在指南提供，仅反映Mini-Circuits的意见或建议。仅使用MTTF/FIT计算不适合预测模型的预期寿命;其他因素，如散热、特定工作电流和电压、使用时间、实际应力和信号水平，以及其他环境条件，只是需要考虑的几个因素。因此，所提供的MTTF/FIT数据不构成或构成对模型或其他方面的未来性能或预期寿命的明示或暗示的保证。

致谢

全文翻译自minicircuits博客文章。