transistor de alta movilidad electrónica

Las ventajas de los HEMT sobre otras arquitecturas de transistores, como el transistor de unión bipolar y el MOSFET , son las temperaturas de funcionamiento más altas, ^{[ 11 ]} las mayores rigideces de ruptura y las menores resistencias específicas en estado activo, ^{[ 3 ]} todo ello en el caso de los HEMT basados ​​en GaN en comparación con los MOSFET basados ​​en Si. Además, los HEMT basados ​​en InP presentan un bajo nivel de ruido y mayores velocidades de conmutación. ^{[ 14 ]}

El elemento de banda ancha está dopado con átomos donantes; por lo tanto, tiene un exceso de electrones en su banda de conducción. Estos electrones se difundirán a la banda de conducción del material de banda estrecha adyacente debido a la disponibilidad de estados con menor energía. El movimiento de los electrones provocará un cambio en el potencial y, por consiguiente, un campo eléctrico entre los materiales. El campo eléctrico empujará a los electrones de vuelta a la banda de conducción del elemento de banda ancha. El proceso de difusión continúa hasta que la difusión y la deriva de electrones se equilibran, creando una unión en equilibrio similar a una unión p-n . Nótese que el material de banda prohibida estrecha sin dopar ahora tiene un exceso de portadores de carga mayoritarios. El hecho de que los portadores de carga sean mayoritarios produce altas velocidades de conmutación, y el hecho de que el semiconductor de banda prohibida baja no esté dopado significa que no hay átomos donantes que causen dispersión y, por lo tanto, produce una alta movilidad.

En el caso de los HEMT de GaAs, se utilizan electrones de alta movilidad generados mediante la heterounión de una capa donadora de tipo n de banda prohibida ancha y altamente dopada (AlGaAs en nuestro ejemplo) y una capa de canal de banda prohibida estrecha sin dopar y sin impurezas dopantes (GaAs en este caso). Los electrones generados en la delgada capa de AlGaAs de tipo n caen completamente en la capa de GaAs para formar una capa de AlGaAs agotada, ya que la heterounión creada por materiales con diferentes bandas prohibidas forma un pozo cuántico (un cañón pronunciado) en la banda de conducción del lado del GaAs, donde los electrones pueden moverse rápidamente sin colisionar con impurezas, dado que la capa de GaAs no está dopada, y de la que no pueden escapar. El efecto de esto es la creación de una capa muy delgada de electrones conductores altamente móviles con una concentración muy alta, lo que confiere al canal una resistividad muy baja (o dicho de otro modo, "alta movilidad electrónica").

Dado que el GaAs tiene una mayor afinidad electrónica , los electrones libres en la capa de AlGaAs se transfieren a la capa de GaAs sin dopar, donde forman un gas de electrones bidimensional de alta movilidad dentro de 100 ångström (10 nm ) de la interfaz. La capa de AlGaAs de tipo n del HEMT se agota completamente a través de dos mecanismos de agotamiento:

• El atrapamiento de electrones libres por estados superficiales provoca el agotamiento de la superficie.
• La transferencia de electrones a la capa de GaAs sin dopar provoca el agotamiento de la interfaz.

El nivel de Fermi del metal de la compuerta coincide con el punto de anclaje, que se encuentra 1,2 eV por debajo de la banda de conducción. Debido al menor espesor de la capa de AlGaAs, los electrones suministrados por los donadores en dicha capa son insuficientes para anclarla. Como resultado, la curvatura de bandas se desplaza hacia arriba y no se forma el gas de electrones bidimensional. Cuando se aplica a la compuerta una tensión positiva superior a la tensión umbral, los electrones se acumulan en la interfaz y forman un gas de electrones bidimensional.

Un aspecto importante de los HEMT es que las discontinuidades de banda a través de las bandas de conducción y valencia se pueden modificar por separado. Esto permite controlar el tipo de portadores que entran y salen del dispositivo. Como los HEMT requieren electrones como portadores principales, se puede aplicar un dopaje gradual en uno de los materiales, reduciendo así la discontinuidad de la banda de conducción y manteniendo la discontinuidad de la banda de valencia igual. Esta difusión de portadores conduce a la acumulación de electrones a lo largo del límite de las dos regiones dentro del material de banda prohibida estrecha. La acumulación de electrones produce una corriente muy alta en estos dispositivos. El término " dopaje de modulación " se refiere al hecho de que los dopantes se encuentran espacialmente en una región diferente a la de los electrones que transportan la corriente. Esta técnica fue inventada por Horst Störmer en Bell Labs .

Idealmente, los dos materiales diferentes utilizados para una heteroestructura deberían tener la misma constante de red (distancia entre los átomos). En la práctica, las constantes de red suelen ser ligeramente diferentes (por ejemplo, AlGaAs sobre GaAs), lo que da lugar a defectos cristalinos. A modo de analogía, imagine juntar dos peines de plástico con una separación ligeramente diferente. A intervalos regulares, verá que dos dientes se agrupan. En los semiconductores, estas discontinuidades forman trampas de nivel profundo y reducen considerablemente el rendimiento del dispositivo.

Un HEMT en el que se incumple esta regla se denomina pHEMT o HEMT pseudomórfico . Esto se consigue utilizando una capa extremadamente fina de uno de los materiales, tan fina que la red cristalina simplemente se estira para adaptarse al otro material. Esta técnica permite la construcción de transistores con mayores diferencias de banda prohibida de lo que sería posible de otro modo, lo que les confiere un mejor rendimiento. ^{[ 15 ]}

Otra forma de utilizar materiales con diferentes constantes de red es intercalar una capa amortiguadora entre ellos. Esto se hace en el mHEMT o HEMT metamórfico , una evolución del pHEMT. La capa amortiguadora está compuesta de AlInAs , con una concentración de indio graduada para que coincida con la constante de red tanto del sustrato de GaAs como del canal de GaInAs . Esto ofrece la ventaja de que se puede lograr prácticamente cualquier concentración de indio en el canal, lo que permite optimizar los dispositivos para diferentes aplicaciones (una baja concentración de indio proporciona bajo ruido ; una alta concentración de indio proporciona alta ganancia ).

Los HEMT fabricados con heterointerfaces semiconductoras que carecen de carga de polarización neta interfacial, como AlGaAs/GaAs, requieren un voltaje de puerta positivo o un dopaje donador adecuado en la barrera de AlGaAs para atraer los electrones hacia la puerta, lo que forma el gas de electrones bidimensional y permite la conducción de corrientes electrónicas. Este comportamiento es similar al de los transistores de efecto de campo comúnmente utilizados en el modo de enriquecimiento, y dicho dispositivo se denomina HEMT de enriquecimiento o eHEMT .

Cuando un HEMT se construye con AlGaN / GaN , se puede lograr una mayor densidad de potencia y un voltaje de ruptura más alto. Los nitruros también tienen una estructura cristalina diferente con menor simetría, concretamente la de wurtzita , que tiene una polarización eléctrica incorporada. Dado que esta polarización difiere entre la capa de canal de GaN y la capa de barrera de AlGaN , se produce una capa de carga no compensada del orden de 0,01-0,03 C/m${\displaystyle ^{2}}$se forma. Debido a la orientación cristalina típicamente utilizada para el crecimiento epitaxial ("con cara de galio") y la geometría del dispositivo favorable para la fabricación (compuerta en la parte superior), esta capa de carga es positiva, lo que provoca la formación del gas de electrones 2D incluso si no hay dopaje. Dicho transistor está normalmente encendido y se apagará solo si la compuerta está polarizada negativamente; por lo tanto, este tipo de HEMT se conoce como HEMT de agotamiento o dHEMT . Mediante un dopaje suficiente de la barrera con aceptores (por ejemplo, Mg ), la carga incorporada puede compensarse para restaurar el funcionamiento eHEMT más habitual , sin embargo, el dopaje p de alta densidad de nitruros es un desafío tecnológico debido a la difusión del dopante en el canal.

A diferencia de un HEMT dopado por modulación, un transistor de alta movilidad electrónica inducida ofrece la flexibilidad de ajustar diferentes densidades electrónicas con una compuerta superior, ya que los portadores de carga se "inducen" al plano 2DEG en lugar de crearse mediante dopantes. La ausencia de una capa dopada mejora significativamente la movilidad electrónica en comparación con sus contrapartes dopadas por modulación. Este nivel de pureza brinda oportunidades para realizar investigaciones en el campo del billar cuántico para estudios de caos cuántico , o aplicaciones en dispositivos electrónicos ultraestables y ultrasensibles. ^{[ 16 ]}