化合物半导体：HEMT 结构的电子传输特性

      介绍

      HEMT 并不是一项新发明，但由于其在通信应用中的使用，它们现在正走在半导体行业的前沿。 需要改进表征技术以继续开发 HEMT 并改进生产工艺。 本文讨论了采用可变磁场、可变温度霍尔测量和迁移率频谱分析软件包的 HEMT 结构的电子传输特性。

      高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件在半导体行业中变得越来越重要，特别是对于通信应用。 本文讨论了采用可变磁场的 HEMT 结构的电子传输特性、使用 Lake Shore 的霍尔测量系统 (HMS) 和定量迁移率频谱分析 (QMSA) 包的可变温度霍尔测量。

      由于其器件结构，HEMT 由多种载流子组成。 经典的单场霍尔测量仅提取体积迁移率和载流子浓度。 可变场测量与 QMSA 技术相结合，可以提取材料中的单个载流子迁移率和浓度。 因此，可以研究材料中的多数载流子和少数载流子。 在本文中，提供了 GaAs HEMT 的可变温度数据。 讨论了多数载流子和少数载流子的温度相关行为。 此外，还简要讨论了该技术的可靠性及其对进行霍尔测量的磁场范围的依赖性。

      HEMT背景

      1978 年，贝尔实验室的三名研究人员独立工作，率先证明调制掺杂 AlGaAs/GaAs 异质结可能具有高迁移率。伊利诺伊大学和罗克韦尔国际公司的研究人员在 1980 年制造的器件表现出合理的性能。这些材料继续受到重视 1980 年代早期的研究成果是数字应用中开关时间约为 10 ps 的超高速晶体管，到 1985 年是能够在高达 60 GHz 的频率下低噪声运行的模拟放大器。这些被称为高电子迁移率晶体管 (HEMT) ) 或调制掺杂 FET (MODFET)。 HEMT 材料的基础是两个化合物半导体（施主和受主）之间的晶格匹配异质结。 在本次讨论中，我们将使用基于 GaAs 的结构作为我们的模型材料。 图 1 是基本 HEMT 器件的示意图。

图 1. 基于 GaAs 的 HEMT 的示意图，包括含有移动电荷载流子的二维电子气 (2-DEG)。

      为了形成 HEMT 器件，施主层和受主层之间的异质结必须是原子级光滑的，这需要严格的外延。 这些器件主要采用分子束外延 (MBE) 技术制造，在较小程度上采用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 技术。 异质结处两层的晶格必须紧密匹配以避免两层之间的晶格应变。 AlGaAs 的晶格间距在 GaAs 的 0.1% 以内，允许在没有过度晶格应变的情况下生长极其陡峭的异质结。

      在本示例中，异质结由具有不同带隙能量的GaAs和AlGaAs形成。 因此，器件的能带图中显示出不连续性，并且在 AlGaAs 侧形成二维电子气 (2-DEG) 层。选择 AlGaAs 层厚度和掺杂水平，以便该层在零时耗尽移动载流子 施加栅极偏压，因此所有移动电荷载流子都包含在 2-DEG 层中。 HEMT 器件中的传导发生在该层中，并且由于传导电子远离其位于 AlGaAs 层中的母原子，因此电子具有高迁移率。

      该讨论也与基于其他材料的 HEMT 器件有关。 例如，InP 衬底上的 InGaAs/InAlAs 结构最近受到关注。 该领域的研究表明，这些器件可以可靠地制造，并且它们在高达和超过 100 GHz1 的频率下产生了最佳的低噪声性能。 目前，AlGaAs/InGaAs 异质结也很受关注，因为 InGaAs 的使用导致更高的迁移率。 AlGaAs 和 InGaAs 不是晶格匹配的（即材料具有不同的原子间晶格间距），由此产生的器件被称为“假晶”HEMT 或 pHEMT。 这种器件结构的一种变体是双异质结 pHEMT (DH-pHEMT)，它在 InGaAs 下方使用额外的 AlGaAs 层来实现更高的功率密度。

      出于多种原因，基于 SiGe 的结构已成为人们关注的焦点。 由于半导体工业基于由 Si 制造的器件，因此基于 SiGe 的 HEMT 本质上比基于 GaAs 或基于 InP 的 HEMT 更容易制造，因为可以应用现有技术。 经济性是 SiGe 发展的进一步动力。由于硅基器件在半导体行业的广泛使用，以及其悠久的历史，基于 SiGe 的外延比基于 GaAs 的外延便宜 3.3 倍，并且 比基于 InP 的外延便宜 16.5 倍。

      HEMT 结构中多数载流子的温度依赖性

      掺杂半导体中的载流子密度大约等于材料在中间温度下的净激活掺杂，并且在低温下由于载流子冻结而降低。 在更高的温度下，载流子密度增加，接近材料的总掺杂。 带电杂质是块状半导体中非常有效的散射中心，因此电离的供体或受体充当散射中心。 由于电子通过半导体的平均自由程减少，因此较大的掺杂浓度会导致较低的迁移率。 然而，由于热速度增加，这种流动性将随着温度的升高而增加。 对于一阶，由于杂质散射引起的迁移率遵循 T3/2/Ni 依赖性，其中 Ni 是带电杂质的密度。

      轻掺杂半导体中载流子的迁移率对掺杂密度相对不敏感，主要受限于声子散射。 高掺杂半导体不包含单一的施主能量，而是包含与导带（或价带）重叠的杂质带。 两个频带之间的重叠意味着即使在零开尔文时也存在自由载流子。 随着掺杂浓度的增加，迁移率由于上面讨论的电离杂质散射过程而降低。

      HEMT 避免了这个过程，因为载流子电子远离它们的母原子以及其他电离杂质。 由于高迁移率电子位于未掺杂的 GaAs 中，远离电离的供体原子，因此可以在这种二维电子气中实现非常高的迁移率。

      晶格散射也发生在散装材料和 HEMT 中，它通常被描述为声子的吸收或发射（晶格波散射）。 由于声子的密度随着温度的升高而增加，载流子的迁移率将随着温度的升高而降低。 理论计算揭示了迁移率的温度依赖性，它遵循“声学”声子的 T -3/2 依赖性（在硅或锗等非极性材料中）和“光学”声子的 T-1/2 依赖性 . 在块状 GaAs 中，电子迁移率的一般温度依赖性为 T 1，而空穴的温度依赖性为 T 2.1。

      载体的移动性与其在穿过材料期间发生的碰撞次数成反比。 在散装材料中，携带电流通过材料的电子与电离或中性杂质之间会发生散射。 然而，在 2-DEG 中，电离杂质散射显着降低，因此电子-声子相互作用构成限制高迁移率电子迁移率的重要机制。

      对于高于 60K 的温度，二维电子气中的散射主要由极性光学声子散射决定。 这种散射与温度呈线性关系。 在低温下，对电子散射的其他贡献变得重要：与温度无关的过程，例如远程电离杂质散射（特别是低于 5 K）、电离杂质散射、合金无序散射、变形声学声子散射和压电声学声子散射3。 在更高的温度下，额外的散射过程变得很重要，如图 2 所示。

图 2. HEMT 中高迁移率电子的迁移率随温度升高而降低。 该载体的浓度在 50K 至 400K 的温度范围内保持相对恒定。

      当样品加热到室温以上时，2-DEG 中的传导态与散装材料中的传导态之间的迁移率差异变得不那么明显。 这在图1和2中说明。 参见图 3a 和 3b，它们分别显示了 HEMT 器件在 100K 和 350K 的迁移率频谱。

      虽然表面粗糙度散射是另一个潜在的重要机制，但实际上它在 HEMT 结构中相对不重要，因为 MBE 可以可靠地制造适当沉积和晶格匹配的 HEMT 异质结。 关键取决于沉积过程中获得的合金成分的晶格匹配代表了获得高质量 HEMT 材料的最严重限制之一。

      HEMT 结构中少数载流子的温度依赖性

      III-V 材料中的多数载流子传输一直是大量理论和实验研究工作的主题。 相反，少数载流子传输在很大程度上被忽略了，更好地了解少数载流子行为可能会改进这些设备的设计 4。 LakeShore 的 HMS 和 QMSA 分析包能够阐明这些行为，因为它们能够准确地识别和解析多数载流子的属性，以及材料中其他载流子的属性。

      人们经常假设少数载流子迁移率与多数载流子迁移率相同，两者的主要区别在于载流子密度。 这种假设可能是经典的单场霍尔测量的假象，其中仅测量体积迁移率，并确定总载流子浓度。 随着可变场霍尔测量和更复杂的计算和分析技术（如 QMSA）的出现，可以从在各个场进行的大量霍尔测量中解析出单个载流子种类。 如图 3a 所示，用单一迁移率准确描述多数载流子和少数载流子的假设显然是错误的。 事实上，在 100 K 时，少数载流子在迁移率上与多数载流子有显着差异，而它们在浓度上相对相似。 HEMT 器件中少数载流子（一个电子载流子和一个空穴载流子）迁移率的温度依赖性如图 4 所示。

图 4. GaAs 基 HEMT 材料中少数载流子的迁移率与温度的函数关系。

      少数载流子的身份和数量随着器件结构的不同而有所不同。 当前的 HEMT 沉积产品通常表现出单一的少数电子载流子，并且没有空穴贡献。 不建议仅在单一温度下从 QMSA 数据中识别少数载流子。 需要有关该材料的其他信息，例如关于少数载流子可能存在的带隙信息。 至少，需要如图 4 所示的温度相关数据。 QMSA 是一种工具，可帮助研究人员了解其材料中的一些物理过程。 有了这个工具和研究人员对材料特性的额外了解，就可以自信地识别少数载流子。

      如前所述，少数和多数载流子的迁移率相同而浓度不同的假设对于这个样本来说显然是错误的。 图 5 是显示该 HEMT 样品中各种载流子浓度的图。 从这个图中，我们可以看到低迁移率载流子实际上以比 2-DEG 中的高迁移率电子更高的浓度存在。

图 5. 载流子浓度（表值）作为温度的函数。

      载流子分辨率及其对场和温度的依赖性

      使用 QMSA 技术解析载波的能力在很大程度上取决于进行测量的场范围 5。 QMSA 软件将样品材料的电阻率和霍尔系数的可变场测量值作为其输入变量。 根据这些值，可以确定电导率张量的两个独特元素（Sxx 和 Sxy）。 迁移率谱是通过拟合这些值的场依赖性来确定的。 可以从相对低的场数据中准确地解析高移动性载体。 然而，要准确测量低移动性载流子，需要更高的场数据。

      一般而言，如果测量是在 77K 下进行的，则可以使用 QMSA 技术对 HEMT 材料进行准确分析，该技术可以使用电磁铁测量到可达到的场强（例如 1-2T 场范围）。 使用此实验程序，多数载流子的迁移率和密度的再现性优于 1%（通常 <0.5%），少数载流子的再现性约为 2-3%。 如果仅在室温下进行测量，则需要更高的场强 (>2.5T) 才能实现类似的再现性。 例如，使用 2.1T 的最大场进行室温测量，多数载流子特性的再现性通常约为 3%，而少数载流子的再现性通常约为 9%。 因此，对于在线 QC/QA 应用，建议在需要良好再现性的情况下进行 77K 测量，例如过程控制。

      结论

      可变场/温度霍尔测量系统和 QMSA 分析包可以提供对 HEMT 材料的宝贵见解。除了对整体迁移率和载流子浓度执行“经典”霍尔测量外，Lake Shore 的 HMS 结合 QMSA 的可变场能力将这些数据扩展到对材料中单个载流子迁移率和浓度的研究。作为在线计量工具，HMS/QMSA 允许设计 QA/QC 程序，以测试外延后产品中感兴趣的数量（例如，高迁移率电子载流子的迁移率和浓度）。该测试程序可在生产周期的早期检测有缺陷的产品，然后再向晶圆投入额外资金。此外，2-DEG 迁移率的表征允许更好地估计用于 IC 封装设计的建模参数，从而优化性能。此类测量在新型 HEMT 结构的基础研究和开发中也很有用。