El HEMT son las siglas de High Electron Mobility Transistor lo que significa transistor de alta movilidad de electrones. Este semiconductor electrónico es una forma de FET(transistor de efecto de campo); que utiliza una característica inusual de un canal muy estrecho que le permite operar y rendimientos excelentes para frecuencias extremadamente altas como las del MESFET. Un HEMT tiene la unión entre dos materiales con diferentes intervalos de banda (una heterounión) como canal; en lugar de una región dopada n. Los materiales más comunes en su diseño son el GaAs con AlGaAs. El efecto de esta unión es crear una capa muy delgada de electrones conductores con una concentración bastante alta, lo que le da al canal una propiedad de resistividad muy baja(lo que permite una alta movilidad o flujo de electrones).
Esta capa la cual en nombrada como un gas de electrones bidimensional. Al igualmente que otros tipos de FET, aplicando un voltaje a la puerta(Gate) se logra alterar la conductividad de esta capa. Entonces, al incorporar una unión entre dos materiales con diferentes intervalos de banda (una heterounión) como canal en lugar de una región dopada que vemos en el MOSFET estándar. Como resultado de la estructura que tiene el HEMT; también puede denominarse como FET de heterounión, HFET o FET dopado con modulación y MODFET en algunas ocasiones.
Versiones y Tipos de HEMT
Tecnología en crecimiento: pHEMT y mHEMT
Idealmente, dos materiales diferentes usados para la heterounión deberían tener la misma constante de red (distancia entre átomos). En la práctica, las constantes reticulares suelen ser ligeramente diferentes (por ejemplo, AlGaAs sobre GaAs), lo que conduce a defectos en los cristales. Como analogía, imagina que estás deslizando dos peines de plástico con distancias ligeramente diferentes entre ellos. A intervalos regulares, verá que los dos dientes se pegan. En los semiconductores, estas inhomogeneidades forman trampas de nivel profundo y reducen significativamente el rendimiento del dispositivo. Un HEMT en el que se infringe esta regla se llama pHEMT o HEMT pseudomórfico. Para ello, utiliza una capa extremadamente fina de uno de los materiales, tan fina que la red de cristal simplemente se estira para adaptarse al otro material.
Este método permite crear transistores con una diferencia de banda prohibida más amplia de lo que sería posible de otro modo, dándoles un mejor rendimiento. Otra forma de utilizar materiales con diferentes constantes de celosía es colocar una capa de amortiguación entre ellos. Esto se hace en mHEMT o HEMT metamórfico , una mejora de pHEMT. La capa tampón está hecha de AlInAs , y la concentración de indio se ajusta para que pueda coincidir con la constante de red tanto del sustrato de GaAs como del canal de GaInAs . Esto tiene la ventaja de que se puede realizar 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 poco ruido ; una alta concentración de indio proporciona una alta ganancia ).
Características Eléctricas: eHEMT y dHEMT
Los HEMT hechos de hetero interfaces semiconductores sin una carga de polarización neta interfacial, como AlGaAs / GaAs, requieren un voltaje de puerta positivo o un dopaje de donante apropiado en la barrera AlGaAs para atraer electrones a la puerta, que forma un gas de electrones 2D y conduce corrientes de electrones. Este comportamiento es similar al de los transistores de efecto de campo de uso común en el modo de mejora, y dicho dispositivo se denomina HEMT mejorado o eHEMT. Cuando el HEMT se construye 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 menor simetría, que tiene polarización eléctrica incorporada. Dado que esta polarización es diferente entre la capa del canal de GaN y la capa de barrera de AlGaN, se forma una capa de carga no compensada del orden de 0.01-0.03 C / m. Debido a la orientación del cristal comúnmente utilizada para el crecimiento epitaxial («superficie de galio») y la geometría del dispositivo adecuado para la fabricación (puerta en la parte superior), esta capa de carga es positiva, lo que hace que se forme gas de electrones 2D incluso sin dopaje.
Un transistor de este tipo suele estar encendido y apagado solo cuando la polarización de la puerta es negativa; este tipo de HEMT se conoce como HEMT de agotamiento o dHEMT. Dopando suficientemente la barrera con aceptores (como el Mg ), la carga incorporada se puede compensar para restaurar el funcionamiento más familiar del eHEMT. Sin embargo, el dopaje p de nitruros de alta densidad es una tarea tecnológicamente difícil debido a la difusión del dopante en el canal.
El HEMT inducido a diferencia de los HEMT modulados, un transistor de alta movilidad de electrones inducida proporciona la flexibilidad para sintonizar diferentes densidades de electrones con la puerta superior, ya que los portadores de carga son «inducidos» en el plano 2DEG en lugar de dopados. La ausencia de una capa dopada aumenta significativamente la movilidad de los electrones en comparación con sus análogos dopados con modulación. Este nivel de pureza permite realizar investigaciones en el campo del billar cuántico para estudiar el caos cuántico o sus aplicaciones en dispositivos electrónicos ultraestables y ultrasensibles.
Estructura y Fabricación de HEMT
El elemento clave dentro de del HEMT es la unión PN especial que utiliza. La cual se conoce como heterounión; la cual resumiendo posee una unión compuesta de diferentes materiales de características únicas a cada lado de la unión. Estos materiales mencionados son el arseniuro de aluminio y galio(AlGaAs) y también arseniuro de galio(GaAs). El arseniuro de galio(GaAs) es usado específicamente para proporcionar un alto rendimiento; vital para tecnología moderna. Al contrario de utilizar silicio(Si) con la cual se obtiene una movilidad de electrones muy inferior.
Existen varias formas diferentes de estructuras y diseños que se pueden utilizar dentro de un HEMT; pero todas usan básicamente los mismos procesos de fabricación. Para su fabricación, primero se colocará una capa intrínseca de arseniuro de galio(GaAs) sobre la capa de arseniuro de galio(GaAs) semi aislante; con apenas del grosor de tan sólo 1 micra. Después se impregna una capa extrafina(desde 30 a unos 60 Angstroms) de AlGaAs intrínseco. Su objetivo es lograr una separación entre la interfaz y la heterounión de la región de arseniuro de galio y aluminio(AlGaAs) dopado. Una capa dopada de arseniuro de aluminio y galio(500 Angstroms) se coloca encima de esta. Se requiere de una perfecta precisión del calibre de estas capas; que requieren técnicas especiales y tecnología de punta para una sincronización exitosa. Este requisito se requiere para lograr la meta de tener una alta movilidad de electrones.
tenemos 2 estructuras principales que se implementan. Estas son la estructura implantada de iones autoalineados y la estructura de la puerta(Gate) del receso. En el caso de la estructura a base de iones autoalineados, la puerta(Gate), el drenaje(Drain) y la fuente(Source) serán colocados hacia abajo y generalmente son contactos de material metálicos, aunque los contactos de la fuente(Source) y el drenaje(Drain) a veces pueden estar hechos de germanio. La puerta(Gate) generalmente se diseña de titanio formando una unión polarizada inversa similar a la del GaAsFET.
Para la estructura de la compuerta de receso, se coloca otra capa de arseniuro de galio tipo n para permitir que se realicen los contactos de drenaje y fuente. Las áreas están grabadas como se muestra en el diagrama. El grosor debajo de la puerta también es muy crítico ya que esto determina el voltaje umbral del FET. El tamaño de la puerta y, por lo tanto, el canal es muy pequeño. Por lo general, la puerta tiene solo 0,25 micrones o menos, lo que permite que el dispositivo tenga un rendimiento de alta frecuencia muy bueno.
Funcionamiento del HEMT
El funcionamiento del HEMT es algo diferente al de otros tipos de FET.
Los electrones de la región de tipo n se mueven a través de la red cristalina y muchos permanecen cerca de la heterounión. Estos electrones forman una capa que tiene solo un electrón de espesor y forma lo que se conoce como un gas de electrones bidimensional. Dentro de esta región, los electrones pueden moverse libremente porque no hay otros electrones donantes u otros elementos con los que los electrones colisionen y la movilidad de los electrones en el gas es muy alta.
Se utiliza una polarización aplicada a la puerta formada como un diodo de barrera Schottky para modular el número de electrones en el canal formado a partir del gas de electrones 2D y a su vez esto controla la conductividad del dispositivo. Esto se puede comparar con los tipos más tradicionales de FET donde el ancho del canal cambia por el sesgo de la puerta.
Aplicaciones
Aplicaciones (por ejemplo, para AlGaAs en GaAs) son similares a MESFET aplicaciones – de microondas y de ondas milimétricas de comunicaciones , de imágenes, de radar y de radioastronomía; cualquier aplicación que requiera una alta ganancia y bajo ruido en altas frecuencias. Los HEMT mostraron amplificación de corriente a frecuencias superiores a 600GHz y amplificación de potencia a frecuencias superiores a 1THz. Los Transistores de unión heterogénea bipolar se demostraron en frecuencias de ganancia superiores a 600 GHz.
Muchas empresas de todo el mundo están desarrollando y fabricando dispositivos basados en HEMT. Estos pueden ser transistores discretos, pero más a menudo son Circuitos integrados de microondas monolíticos( MMIC ). Los HEMT se utilizan en muchos tipos de equipos, desde teléfonos móviles y receptores DBS hasta sistemas de guerra electrónica como el radar y la radioastronomía .
Además, los HEMT de nitruro de galio sobre sustratos de silicio se utilizan como transistores de conmutación de potencia para convertidores de voltaje. En comparación con los transistores de potencia de silicio, los HEMT de nitruro de galio tienen baja resistencia y bajas pérdidas de conmutación debido a sus propiedades de banda ancha amplia. Los HEMT de potencia de nitruro de galio están disponibles comercialmente para voltajes de hasta 200-600 V.
