하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터

하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터(High-electron-mobility transistor, HEMT 또는 HEM FET), 이종구조 FET(HFET) 또는 변조 도핑 FET(MODFET)라고도 알려진 이 트랜지스터는 도핑된 영역(일반적으로 MOSFET의 경우와 같음) 대신 서로 다른 띠틈을 가진 두 재료(즉, 이종접합) 사이의 접합을 채널로 사용하는 장효과 트랜지스터이다. 일반적으로 사용되는 재료 조합은 GaAs와 AlGaAs이지만, 소자의 응용 분야에 따라 다양한 조합이 있다. 더 많은 인듐을 포함하는 소자는 일반적으로 더 나은 고주파 성능을 보이며, 최근 몇 년 동안 질화 갈륨 HEMT는 고전력 성능으로 인해 주목받고 있다.

GaAs/AlGaAs/InGaAs pHEMT의 단면도

평형 상태의 GaAs/AlGaAs 이종접합 기반 HEMT의 띠그림

다른 FET와 마찬가지로 HEMT는 집적 회로에서 디지털 온-오프 스위치로 사용될 수 있다. FET는 작은 전압을 제어 신호로 사용하여 많은 양의 전류를 위한 증폭기로도 사용될 수 있다. 이 두 가지 용도 모두 FET의 고유한 전류-전압 특성 덕분에 가능하다. HEMT 트랜지스터는 일반 트랜지스터보다 더 높은 주파수, 최대 밀리미터파 주파수에서 작동할 수 있으며, 휴대폰, 위성방송 수신기, 전압 변환기 및 레이더 장비와 같은 고주파 제품에 사용된다. 이들은 위성 수신기, 저전력 증폭기 및 방위 산업에서 널리 사용된다.

응용 분야

HEMT의 응용 분야에는 마이크로파 및 밀리미터파 원거리 통신, 이미징, 레이더, 전파천문학 및 전력 스위칭이 포함된다. 이들은 휴대폰, 전원 공급 장치 AC 어댑터, DBS 수신기부터 전파천문학 및 레이더 시스템과 같은 전자전 시스템에 이르기까지 다양한 종류의 장비에서 찾아볼 수 있다. 전 세계의 수많은 회사들이 개별 트랜지스터, '모놀리식 마이크로파 집적 회로'(MMIC) 또는 전력 스위칭 집적 회로 형태로 HEMT 기반 장치를 개발, 제조 및 판매하고 있다.

HEMT는 고주파에서 높은 이득과 낮은 잡음이 필요한 응용 분야에 적합한데, 600GHz 이상의 주파수에서 전류 이득을, 1THz 이상의 주파수에서 전력 이득을 보였기 때문이다.^[1] 질화 갈륨 기반 HEMT는 낮은 온 상태 저항, 낮은 스위칭 손실 및 높은 항복 강도 때문에 전압 변환기 응용 분야의 전력 스위칭 트랜지스터로 사용된다.^[2][3] 이러한 질화 갈륨 강화 전압 변환기 응용 분야에는 전력 회로가 더 작은 수동 전자 부품을 필요로 하여 더 작은 패키지 크기 이점을 얻는 AC 어댑터가 포함된다.^[3]

역사

하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터(HEMT)의 발명은 일반적으로 일본 후지쯔에서 근무하던 물리학자 다카시 미무라(三村 高志)에게 귀속된다.^[4] HEMT의 기초는 미무라가 1977년부터 표준 규소(Si) MOSFET의 대안으로 연구해 온 GaAs (비소화 갈륨) MOSFET (금속-산화물-반도체 장효과 트랜지스터)였다. 그는 1979년 봄에 미국 벨 연구소에서 개발된 변조 도핑 이종접합 초격자에 대해 읽고 HEMT를 구상했다.^[4] 이는 1978년 4월에 특허를 출원한 레이 딩글, 아서 고사드 및 호르스트 슈퇴르머에 의해 이루어졌다.^[5] 미무라는 1979년 8월에 HEMT에 대한 특허 공개를 제출했고, 그해 말에 특허를 출원했다.^[6] D-HEMT라는 첫 번째 HEMT 장치 시연은 1980년 5월 미무라와 히야미즈 사토시가 발표했으며, 이후 1980년 8월에 첫 E-HEMT를 시연했다.^[4]

독립적으로, 프랑스 톰슨-CSF에서 근무하던 다니엘 델라주보되프(Daniel Delagebeaudeuf)와 트란 린 응우옌(Tranc Linh Nuyen)은 1979년 3월에 비슷한 유형의 장효과 트랜지스터에 대한 특허를 출원했다. 이 역시 벨 연구소 특허를 영향으로 인용했다.^[7] "역전된" HEMT의 첫 시연은 1980년 8월 델라주보되프와 응우옌이 발표했다.^[4]

GaN 기반 HEMT에 대한 가장 초기 언급 중 하나는 Khan 외 연구진이 1993년 Applied Physics Letters에 발표한 논문이다.^[8] 이후 2004년에 P.D. Ye와 B. Yang 외 연구진은 GaN (질화 갈륨) 금속-산화물-반도체 HEMT (MOS-HEMT)를 시연했다. 이 트랜지스터는 ALD 알루미늄 산화물 (Al₂O₃) 박막을 게이트 유전체와 표면 보호막으로 모두 사용했다.^[9]

작동

2차원 전자가스(2DEG)의 형성에 의존하여 작동하는 장효과 트랜지스터를 HEMT라고 한다. HEMT에서 전류는 드레인과 소스 요소 사이를 2DEG를 통해 흐르는데, 이 2DEG는 띠틈이 다른 두 층, 즉 이종접합의 경계면에 위치한다.^[10] 이전에 HEMT용으로 연구된 이종접합층 구성(이종구조)의 몇 가지 예로는 AlGaN/GaN,^[2] AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs,^[11] 및 Si/SiGe가 있다.^[12]

장점

양극성 접합 트랜지스터 및 MOSFET와 같은 다른 트랜지스터 아키텍처에 비해 HEMT의 장점은 GaN 기반 HEMT의 경우 Si 기반 MOSFET에 비해 더 높은 작동 온도,^[10] 더 높은 항복 강도 및 낮은 특정 온 상태 저항이다.^[3] 또한 InP 기반 HEMT는 낮은 잡음 성능과 더 높은 스위칭 속도를 나타낸다.^[13]

2DEG 채널 생성

넓은 띠 재료는 도너 원자로 도핑된다. 따라서 전도대에는 과도한 전자가 존재한다. 이 전자들은 에너지가 낮은 상태의 존재로 인해 인접한 좁은 띠 재료의 전도대로 확산된다. 전자의 움직임은 전위의 변화를 야기하고 따라서 재료들 사이에 전기장을 형성한다. 전기장은 전자들을 넓은 띠 재료의 전도대로 다시 밀어낸다. 확산 과정은 전자 확산과 전자 이동이 서로 균형을 이룰 때까지 계속되어 PN 접합과 유사한 평형 상태의 접합을 생성한다. 도핑되지 않은 좁은 띠틈 재료에는 이제 과도한 다수 전하 운반자가 존재한다. 전하 운반자가 다수 캐리어라는 사실은 빠른 스위칭 속도를 제공하며, 낮은 띠틈 반도체가 도핑되지 않았다는 사실은 산란을 유발할 도너 원자가 없으므로 높은 이동도를 제공한다.

GaAs HEMT의 경우, 이들은 고농도로 도핑된 넓은 띠틈 n형 도너 공급층(예시에서는 AlGaAs)과 도핑 불순물이 없는 도핑되지 않은 좁은 띠틈 채널층(이 경우 GaAs)의 이종접합을 사용하여 생성된 고이동성 전자를 활용한다. 얇은 n형 AlGaAs 층에서 생성된 전자들은 GaAs 층으로 완전히 떨어져 고갈된 AlGaAs 층을 형성하는데, 이는 다른 띠틈 재료에 의해 생성된 이종접합이 GaAs 측의 전도대에 양자 우물(가파른 협곡)을 형성하기 때문이다. 이 우물에서 전자들은 GaAs 층이 도핑되지 않았기 때문에 불순물과 충돌하지 않고 빠르게 움직일 수 있으며, 그곳에서 탈출할 수 없다. 이 효과는 매우 높은 농도를 가진 매우 얇은 고이동성 전도 전자층을 생성하여 채널에 매우 낮은 저항(또 다른 말로는 "높은 전자 이동도")을 제공한다.

정전기 메커니즘

 이 부분의 본문은 이종접합입니다.

GaAs는 전자 친화도가 더 높기 때문에 AlGaAs 층의 자유 전자는 도핑되지 않은 GaAs 층으로 이동하여 계면에서 100 옹스트롬(10 nm) 이내에 2차원 고이동도 전자가스를 형성한다. HEMT의 n형 AlGaAs 층은 두 가지 고갈 메커니즘을 통해 완전히 고갈된다.

• 표면 상태에 의한 자유 전자의 포획은 표면 고갈을 야기한다.
• 전자가 도핑되지 않은 GaAs 층으로 이동하면 계면 고갈이 발생한다.

게이트 금속의 페르미 준위는 전도대 아래 1.2 eV에 있는 고정점과 일치한다. AlGaAs 층 두께가 감소함에 따라 AlGaAs 층의 도너가 공급하는 전자는 층을 고정하기에 불충분하다. 결과적으로 밴드 굽힘은 위로 이동하고 2차원 전자가스는 나타나지 않는다. 임계 전압보다 큰 양의 전압이 게이트에 인가되면 전자가 계면에 축적되어 2차원 전자가스를 형성한다.

HEMT의 변조 도핑

HEMT의 중요한 특징은 전도대와 원자가대 사이의 띠 불연속성을 개별적으로 조절할 수 있다는 점이다. 이를 통해 소자 내부와 외부의 캐리어 종류를 제어할 수 있다. HEMT는 전자를 주된 캐리어로 필요로 하므로, 재료 중 하나에 등급 도핑을 적용하여 전도대 불연속성을 작게 유지하고 원자가대 불연속성을 동일하게 유지할 수 있다. 이러한 캐리어의 확산은 좁은 띠틈 재료 내부의 두 영역 경계를 따라 전자가 축적되는 현상을 초래한다. 전자의 축적은 이러한 소자에서 매우 높은 전류를 유발한다. "변조 도핑"이라는 용어는 도펀트가 전류를 운반하는 전자와 공간적으로 다른 영역에 있다는 사실을 의미한다. 이 기술은 벨 연구소의 호르스트 슈퇴르머에 의해 발명되었다.

제조

MODFET은 변형된 SiGe 층의 에피택셜 성장을 통해 제조될 수 있다. 변형된 층에서는 저마늄 함량이 약 40-50%까지 선형적으로 증가한다. 이 저마늄 농도는 높은 전도띠 오프셋과 매우 이동성 높은 전하 운반자의 고밀도를 가진 양자 우물 구조의 형성을 가능하게 한다. 최종 결과는 초고속 스위칭 속도와 낮은 잡음을 가진 FET이다. InGaAs/AlGaAs, AlGaN/InGaN 및 기타 화합물도 SiGe 대신 사용된다. InP 및 GaN은 더 나은 잡음 및 전력 비율 때문에 MODFET의 기본 재료로 SiGe를 대체하기 시작하고 있다.

HEMT 버전

성장 기술별: pHEMT 및 mHEMT

이상적으로는 이종접합에 사용되는 두 가지 재료는 동일한 격자 상수(원자 사이의 간격)를 가져야 한다. 실제로는 격자 상수가 일반적으로 약간 다르며(예: GaAs 위의 AlGaAs), 이로 인해 결정 결함이 발생한다. 비유하자면, 약간 다른 간격을 가진 두 개의 플라스틱 빗을 함께 밀어 넣는 것을 상상해 보라. 일정한 간격으로 두 개의 이빨이 함께 뭉치는 것을 볼 수 있다. 반도체에서는 이러한 불연속성이 깊은 준위 트랩을 형성하고 소자 성능을 크게 저하시킨다.

이 규칙을 위반한 HEMT를 pHEMT 또는 의사형 HEMT라고 한다. 이것은 재료 중 하나를 매우 얇게 사용하여 달성된다. 너무 얇아서 결정 격자가 다른 재료에 맞게 단순히 늘어난다. 이 기술은 가능했던 것보다 더 큰 띠틈 차이를 가진 트랜지스터를 제작할 수 있게 하여 더 나은 성능을 제공한다.^[14]

다른 격자 상수를 가진 재료를 사용하는 또 다른 방법은 그 사이에 버퍼 층을 배치하는 것이다. 이것은 pHEMT의 발전된 형태인 mHEMT 또는 변성 HEMT에서 수행된다. 버퍼 층은 AlInAs로 만들어지며, 인듐 농도가 GaAs 기판과 GaInAs 채널의 격자 상수를 모두 일치시킬 수 있도록 등급이 매겨진다. 이것은 채널에 거의 모든 인듐 농도를 실현할 수 있다는 이점을 가져오므로 장치를 다양한 응용 분야(낮은 인듐 농도는 낮은 잡음을 제공; 높은 인듐 농도는 높은 이득을 제공)에 최적화할 수 있다.

전기적 동작별: eHEMT 및 dHEMT

AlGaAs/GaAs와 같이 계면 순 분극 전하가 없는 반도체 이종계면으로 만들어진 HEMT는 2D 전자가스를 형성하고 전자 전류의 전도를 가능하게 하기 위해 양의 게이트 전압이나 AlGaAs 장벽에 적절한 도너 도핑이 필요하다. 이러한 동작은 일반적으로 사용되는 인핸스먼트 모드의 장효과 트랜지스터와 유사하며, 이러한 장치를 인핸스먼트 HEMT 또는 eHEMT라고 한다.

AlGaN/GaN으로 HEMT를 만들면 더 높은 전력 밀도와 항복 전압을 달성할 수 있다. 질화물은 또한 더 낮은 대칭성을 가진 다른 결정 구조, 즉 섬아연석 구조를 가지며, 이는 내장된 전기 분극을 가진다. 이 분극은 GaN 채널층과 AlGaN 장벽층 사이에 다르기 때문에 0.01-0.03 C/m${\displaystyle ^{2}}$ 정도의 보상되지 않은 전하 시트가 형성된다. 에피택셜 성장에 일반적으로 사용되는 결정 방향("갈륨면")과 제작에 유리한 소자 기하학(상단 게이트) 때문에 이 전하 시트는 양수이며, 도핑이 없어도 2D 전자가스가 형성된다. 이러한 트랜지스터는 일반적으로 온 상태이며, 게이트가 음의 바이어스를 받을 때만 오프 상태가 된다. 따라서 이러한 종류의 HEMT는 디플리션 HEMT 또는 dHEMT로 알려져 있다. 장벽을 억셉터(예: Mg)로 충분히 도핑함으로써 내장된 전하를 보상하여 더 일반적인 eHEMT 작동을 복원할 수 있지만, 질화물의 고밀도 p 도핑은 도펀트의 채널 확산으로 인해 기술적으로 어렵다.

유도 HEMT

변조 도핑 HEMT와 달리, 유도 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터는 2DEG 평면에 전하 운반자가 도펀트에 의해 생성되는 것이 아니라 "유도"되기 때문에 상단 게이트로 다양한 전자 밀도를 조절할 수 있는 유연성을 제공한다. 도핑된 층이 없기 때문에 변조 도핑된 HEMT에 비해 전자 이동도가 크게 향상된다. 이러한 수준의 청결도는 양자 빌리아드 분야에서 양자 혼돈 연구나 초안정 및 초고감도 전자 장치 응용 분야에서 연구를 수행할 기회를 제공한다.^[15]

같이 보기

• 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET)