High-electron-mobility transistor

Grundprinzip und Bedeutung

Der High-electron-mobility transistor (HEMT), auf Deutsch „Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit“, ist eine spezielle Bauform eines Feldeffekttransistors (FET) für sehr hohe Frequenzen. Von seiner Konstruktion her gehört er zu den Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MeSFET). Weitere Bezeichnungen sind modulation-doped field-effect transistor (MODFET), two-dimensional electron-gas field-effect transistor (TEGFET), selectively-doped heterojunction transistor (SDHT) und heterojunction field-effect transistor (HFET).

Das zentrale Merkmal des HEMT ist ein besonders leitfähiger Kanal, in dem sich Elektronen mit sehr hoher Beweglichkeit bewegen. Dadurch eignet sich das Bauteil vor allem für Hochfrequenzanwendungen.

Aufbau und Funktionsweise

Ein HEMT besteht aus Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken. Eine Bandlücke ist der Energiebereich, in dem ein Halbleiter keine erlaubten Elektronenzustände besitzt. Die Anordnung solcher Materialien wird als Heterostruktur bezeichnet.

Häufig wird das Materialsystem Aluminiumgalliumarsenid/Galliumarsenid (AlGaAs/GaAs) verwendet. Dabei ist das AlGaAs hoch n-dotiert, also mit zusätzlichen Elektronen versehen, während das GaAs nicht dotiert ist. Weil AlGaAs eine größere Bandlücke als GaAs besitzt, bildet sich an der Grenzfläche auf der GaAs-Seite ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Dieses 2DEG ist eine sehr dünne, zweidimensionale Ansammlung beweglicher Elektronen und kann als leitfähiger Kanal dienen.

Die Elektronenbeweglichkeit lässt sich durch Modulationsdotierung des AlGaAs weiter erhöhen. Bei dieser Anordnung sind die geladenen Störstellen, die durch die Dotierung entstehen, räumlich vom 2DEG getrennt. Dadurch werden die Elektronen weniger an diesen Störstellen gestreut. Die Ladungsträgermobilität, also die Beweglichkeit der Ladungsträger in einem elektrischen Feld, steigt dadurch weiter an. Eine entsprechend hohe Mobilität war eine Voraussetzung für die Entdeckung des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts, für den 1998 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Die Modulationsdotierung wurde unter anderem von Horst Störmer vorgeschlagen.

Wie beim MeSFET wird der HEMT über ein Metall-Gate gesteuert. Dieses Gate ist mit der n-AlGaAs-Schicht verbunden und beeinflusst damit den leitfähigen Kanal.

Entwicklungsgeschichte

Die Halbleiterphysik des HEMT und das Bauelement selbst wurden in den 1980er Jahren von Takashi Mimura und seinen Kollegen bei Fujitsu entwickelt.

Weitere Materialsysteme und Anwendungen

Das HEMT-Prinzip ist nicht auf AlGaAs/GaAs beschränkt. Es kann auch mit den Materialsystemen InGaAs/InP/AlInAs, AlGaN/GaN, AlInN/GaN und Si/SiGe umgesetzt werden.

Seit den 2010er Jahren werden besonders Halbleiter mit breitem Bandabstand erforscht und entwickelt. Dazu gehören Kombinationen aus Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) oder Aluminiumindiumnitrid (AlInN). Der vergleichsweise hohe Bandabstand von AlInN ermöglicht eine höhere Betriebsspannung, bevor es zum Felddurchbruch kommt.

Für Leistungstransistoren auf Grundlage von Leistungshalbleitern sind diese Materialkombinationen vorteilhaft. Bei gleicher Leistung steigt die Ausgangsimpedanz, wodurch die Auskopplung der Energie und deren Anpassung vereinfacht wird. Wird die Materialkombination auf Siliciumcarbid (SiC) abgeschieden, besitzt sie außerdem einen geringeren thermischen Widerstand als GaAs-Materialkombinationen. Das wirkt sich positiv auf die maximale Verlustleistung sowie auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus.