高電子移動率電晶體(HEMT)和雙極性異質接面電晶體 (HBT)是 III-V 族化合物半導體近代較成熟的元件，而元件的 操作主要還是仰賴異質接面。元件中異質接面因有不同的主 成成分及能隙產生，例如:GaAs/AlGaAs 或 InGaAs/InP。目前 這些新發展的元件在微波和高速數位積體電路中比單一接面 元件提供更好的電位特性。在 HEMT 中設計磊晶層結構是為 了讓自由電子在通道中自己由施體離子中分開，進而改善基 座的性能，遠比典型的 MESFETs 來的好。
圖2-1 基本 HEMT 幾何結構圖
由 2-2 圖可看出電子速度在高純度砷化鎵比在高濃度摻 雜的砷化鎵快。溫度若降到 77K，不論在高純度砷化鎵或在 高濃度的砷化鎵，電子速度都比 300K 快。
77K
300K
圖2-2 砷化鎵中電子速度與電場及溫度的關係圖
高純度砷化鎵中的電子在半導體中的電子遷移率主要 受兩種散射所影響：
(1) 極性聲子散射 (polar optical phonon)
80K 以上，晶格熱擾動嚴重，此時雜質散射也比較不明 顯，因此溫度電子遷移率由晶格熱擾動引起的極性聲子 散射所支配。
(2) 雜質散射 (Ionized Impority)
40K 以下，自由電子受施體雜質中正離子的靜電引力牽引 嚴重，此效應為「雜質散射」。如圖 2-3。
kT mv
E
kin = 1 2 = 3(2.1) 2
2
(a) 溫度較低 (b)溫度較高 圖2-3 電子受雜質散射
圖 2-4 高純度砷化鎵電子移動度與溫度及
各項散射因素對其的影響
藉由增大電子與解離施體雜質之間的間隔，雜質散射的 效應還可以被進一部地降低。陡峭異質接面的位勢井之中的 電子是與施體原子分離的，但是他們仍然還是足夠接近，因 而可能還是會受制於庫倫吸引力。我們可以在摻雜的 AlGaAs 與無摻雜的 GaAs 之間置放一層薄且未摻雜的 AlGaAs 隔離 層（spacer layer）。圖 2-5 顯示這個結構的能帶圖。增大載子 與解離施體之間的間隔會使電子遷移率進一步上升，這是因 為雜質散射降低(庫侖交互作用變低)。這種漸變異質接面的 一項缺點乃是位勢井之中的電子密度會有比陡峭接面來得小 的傾向。
圖 2-5 N 型 AlGaAs-未摻雜 AlGaAs-未摻雜 GaAs
異質接面傳導帶邊緣
在 1981 年，典型 AlGaAs/GaAs 高電子移動率電晶體能 提高速度，高增益及在微波元件有出色的功率特性。自從1986 年，假晶性結構 HEMT 發展的非常迅速。其中利用 InGaAs 材料代替 GaAs 為二維電子氣 (2DEG)通道層能提高 HEMT 以 AlGaAs/GaAs 為結構的特性。這個薄層 InGaAs 就像假晶 性 通 道， 能 比 GaAs 層 有 更 高 的 載 子 限 制 力，及 在 AlGaAs/InGaAs 異質接面中有優良的傳導特性，此異質接面 允許較高片狀電荷密度。因此，比典型以 AlGaAs/GaAs 為結 構的 HEMT 有較高的電流密度和轉導值。
在 InGaAs 通道層與 AlGaAs 之間因為晶格不匹配，
圖 2-7，所以 InGaAs 層必須控制的很薄以至於晶格不匹配的 問題可以改善，成為一個必要的假晶性電子自由位移的材 料。從前InGaAs 層的厚度往往超過臨界厚度而造成晶格的位 移，當為了維持晶格匹配把銦的摻雜濃度提高會使臨界厚度 下降，所以當注入高含量的銦時 InGaAs 層的厚度就必須設計 的更薄。當我們提高銦的濃度時有包含以下幾點好處:
(1)高電子移動率 (2)高載子限制力
(3)高電流密度 (4)高轉導值
(5)高單位電流增益頻率 (6)低源極電阻值。
圖2-6 Ⅲ-Ⅴ族材料能帶對基格常數匹配圖
AlGaAs
圖2-7 AlGaAs/InGaAs 接面晶格不匹配
許多研究成果都在發展緩衝層，為了提高絕緣通道特性 和消除在基板上造成的電性影響。典型未摻雜 GaAs 緩衝層 電子會藉由 Drain(洩極)和 Source(源極)電場注入緩衝層，所 以不能提供好的絕緣特性。但是預測有較高電阻係數和較大 能隙的 AlGaAs 是一個理想的緩衝層材料。元件的性能與長 晶參數有密切的關係，這也是為什麼難獲得較好介面品質的 主要原因。介面品質不好造成電子移動率下降，其中要改善 這個問題是插入 GaAs 薄層在粗糙的 AlGaAs 層中以增加雜 質數目，並且提供下一層 AlGaAs 長晶層一個平滑的表面，
這樣能阻絕來自基板因缺陷和雜質產生的電性影響，並且有 精確的夾止特性和微波功率特性。
利用調變式 δ-摻雜層代替載子提供層去提升載子的濃 度，進而提高電流密度和轉導值。使用不同閘極凹溝厚度去 獲得不同蕭基層厚度，進而得到較好的直流特性。此外，溫 度的變化量也是影響直流特性的因素之一。
分子束磊晶(MBE)製程使元件可以成長非常薄的一層具 有特定摻雜的特定半導體材料。特別是，如同圖 2-8 中所顯 示，元件形成多層的調變摻雜異質結構，許多電子表面通道
層會被平行地形成。這種結構等同於將通道的電子密度增 大，但會使 FET 的電流容量增大。
圖2-8 多層調變摻雜異質結構
圖 2-9 中顯示一個典型的 HEMT 結構。N- AlGaAs 是藉 由一層無摻雜的 AlGaAs 間隔層而與未摻雜的 GaAs 分隔 開。在 N- AlGaAs 之上的一個蕭特基接觸構成了電晶體的閘 極。這種結構是一個「正常」的 MODFET。圖 2-10 中則顯 示一個「反轉」的結構。在這種情況之下，蕭特基接觸是製 作在無摻雜的 GaAs 層之上。由於正常的結構可以得到較佳 的結果，因此比較少研究反轉的 MODFET 結構。
圖2-9 典型 AlGaAs-GaAs HEMT
圖2-10 「反轉的」 AlGaAs-GaAs HEMT
元件可以經由閘極電壓來控制在位勢井之中的二維電子 氣中的電子濃度。
(1) 當具有零偏壓時，在GaAs之中的傳導帶邊緣比費米能階 低，隱喻會有高濃度的二維電子氣，接面的能帶如圖 2-11 所示，此種元件通道層內原本就有電荷，具有臨 界電壓(VT)為負值，稱為空乏模式(常開型)高電子遷移 率場效電晶體。
圖2-11 閘極加零偏壓時 AlGaAs 接面能帶圖
(2) 當有一個負電壓被外加至閘極時，在 GaAs 之中的傳導帶 邊緣比費米能階高，蕭基閘極的電場會將位勢井之中的 二維電子氣層排除，因此二維電子氣之中的濃度是非常 低，而在一個 FET 之中的電流基本上是零。圖 2-12。
圖2-12 閘極加負偏壓時 AlGaAs/GaAs 接面的能帶圖
蕭特基障礙由表面開始使 AlGaAs 層空乏，而異質接面 則由異質接面界面處開始使 AlGaAs 層空乏。理想而言，應
)
ε
Nq
d 2dp
d v
2= N 2
(2.5)
其中ΦB特基障礙高度，而VP2的閘極偏壓將會使二維電 子氣的濃度降低。如果外加一個正的閘極電壓，則二維電子 的濃度將會增大。將閘極電壓增大會使二維電子氣的濃度增 大，直到AlGaAs的傳導帶跨越電子氣的費米能階為止。圖 2-13 顯示這個效應。在這個點，由於在AlGaAs之中一條平行 的傳導通道已經被建構起來，因此閘極喪失了對於電子氣的 控制。
(a)具有較小順向閘極電壓 (b)較大順向閘極電壓時，在
AlGaAs 中產生一條傳導道
圖2-13 一個增強型 HEMT 能帶圖
HEMT也可以使用多種異質接面層來加以製造，這種元 件形式顯示於圖 2-14 之中。一個AlGaAs－GaAs介面的單一 異質接面具有一個在 1012cm-2階層的最大二維電子薄層濃 度。
圖2-14 多層 HEMT 結構
我們可以藉由在相同的磊晶層之中製造兩個或更多個 AlGaAs－GaAs 介面來使這個濃度增大。元件的電流容量會 被增大，而功率績效也會改善。多通道 HEMT 的表現就如同 多個單一通道 HEMT 被並聯連接，並以相同的閘極來加以調 變，但卻會具有稍微不同的臨限電壓。由於每一條通道的臨 限電壓會改變，因此最大的轉移電導並不會隨著通道的數目 而直接地縮小放大。此外，當閘極與通道之間的距離增大時，
等效通道長度也會增大。當通道長度縮短時，最大頻率會增 大。具有 0.25μm 通道長度的 HEMT 已被量測具有在 100GHz 階層的截止頻率。
在 HEMT 中可以獲致較高的操作速度，較低的功率發 散，及較低的雜訊的觀點而論，HEMT 本質上便比其他的 FET 技術來得優秀。這些優點是直接來自於藉由使用未摻雜的 GaAs 來作為 FET 的通道層所獲得的優異傳輸性質。如同先 前所說明已經發現，在一條無摻雜的通道之中獲致適宜的載 子濃度的一種方法乃是在一個半導體異質接面的界面處使載 子堆積。HEMT 的缺點乃是異質接面的製造程序會比較複雜。
以上是對 HEMT 基本原理的討論。接下來在下列章節中 將介紹 HEMT 結構中二維電子氣(2-DEG)、夾止電壓與轉移 電 導 基 本 原 理 等 特 性 。 在 第 三 章 介 紹 磊 晶 成 長 技 術 MOCVD(金屬有機化學氣象沉積)系統、MBE(分子束磊晶法)、
參數和長晶步驟，以及二維電子氣、夾止電壓、轉移電導和 元件製程設計結構包含晶圓定位、高台絕緣和金屬化閘極。 並且在3-4 節元件特性量測中提到霍爾量測和元件 I-V 特性討 論。