【IEEE里程碑獎(jiǎng)】HEMT技術(shù)詳解

2019年12月18日，HEMT（High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管）獲頒IEEE里程碑牌匾，以表彰HEMT為通信領(lǐng)域做出的巨大貢獻(xiàn)。

該牌匾放在日本厚木的富士通實(shí)驗(yàn)室。牌匾上刻文：

HEMT是第一個(gè)在兩種具有不同能隙的半導(dǎo)體材料之間結(jié)合界面的晶體管。HEMT由于其高遷移率的溝道載流子而被證明優(yōu)于以前的晶體管技術(shù)，從而具有高速和高頻性能。它們已廣泛用于射電望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星廣播接收器和蜂窩基站，成為支持信息和通信社會(huì)的一項(xiàng)基本技術(shù)。The HEMT was the first transistor to incorporate an interface between two semiconductor materials with different energy gaps. HEMTs proved superior to previous transistor technologies because of their high mobility channel carriers, resulting in high speed and high frequency performance. They have been widely used in radio telescopes, satellite broadcasting receivers and cellular base stations, becoming a fundamental technology supporting the information and communication society.

HEMT是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，1979年12月由富士通的三村隆史（Takashi Mimura）發(fā)明，并于1980年發(fā)表了第一篇有關(guān)HEMT的文章“A New Field-Effect Transistor with Selectivity Doped GaAs/n-AlGaAs Heterojunctions”，文章指出，使用具有n-AlGaAs和GaAs單異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)通過場效應(yīng)來控制二維電子氣（2DEG）。在n型AlGaAs與GaAs之間的單個(gè)異質(zhì)結(jié)中，引入了一個(gè)肖特基結(jié)，該肖特基結(jié)在n型AlGaAs的表面上形成了耗盡層。當(dāng)用作柵極時(shí)，場效應(yīng)可能施加在GaAs層內(nèi)部的二維電子氣上，這可以使用場效應(yīng)來控制電子密度。這產(chǎn)生了使用二維電子氣的高速晶體管，該電子氣不受摻雜劑散射的影響。HEMT開創(chuàng)了高頻和高速半導(dǎo)體器件的新領(lǐng)域。

隨后，三村隆史（Takashi Mimura）團(tuán)隊(duì)也在高速邏輯電路和微波等應(yīng)用中，對(duì)HEMT的研究與開發(fā)取得發(fā)展，先后發(fā)表了多篇重要論文，1980年有關(guān)“具有創(chuàng)紀(jì)錄的開關(guān)延遲的集成電路”，1983年第一個(gè)“HEMT低噪聲放大器”和1988年用于“超級(jí)計(jì)算機(jī)的HEMT-LSI”。

HEMT的商業(yè)化

（1）低噪聲放大器low-noise amplifier

HEMT的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用是低噪聲放大器。

由于其出色的低噪聲性能，HEMT可用于接收來自太空的非常微弱的信號(hào)。1985年被用于日本長野縣野邊山天文臺(tái)（Nobeyama Radio Observatory，NRO）45米射電望遠(yuǎn)鏡，并在1986年促成發(fā)現(xiàn)距金牛座分子云約400光年的星際分子。

HEMT用于衛(wèi)星廣播接收機(jī)，使拋物面天線的直徑減小到一半以下，從而有助于普及衛(wèi)星廣播。由于無線電信號(hào)的傳播不考慮國界，因此衛(wèi)星廣播的傳播促進(jìn)了信息流的全球化。

據(jù)悉，HEMT低噪聲放大器的市場1990年高達(dá)1億美元。

（2）毫米波放大器Millimeter-wave amplifier

由于HEMT可以在高頻下運(yùn)行，因此可以用來制作毫米波放大器。在1990年代末，基于毫米波雷達(dá)的產(chǎn)品的開發(fā)向前發(fā)展，該毫米波雷達(dá)用于車輛防撞系統(tǒng)中，通過檢測與前方汽車的距離和速度差來防止或減輕碰撞。當(dāng)時(shí)，HEMT被用于收發(fā)器中，因?yàn)樗且环N固態(tài)設(shè)備，可以在毫米波段內(nèi)可靠地運(yùn)行，從而可以將雷達(dá)硬件做得更小，重量不超過700克，得以在乘用車實(shí)際使用。

（3）高效放大器High-efficiency amplifier

得益于HEMT的更高性能，它可用于制造高效微波大功率放大器。利用這一特性，基于GaN的HEMT被用于蜂窩基站的高增益放大器中，為生產(chǎn)世界上最小的基站做出了貢獻(xiàn)。通過這種方式，HEMT通過促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以應(yīng)對(duì)通信量的爆炸性增長，來幫助支持信息和通信社會(huì)。

2016年國際微波研討會(huì)上，有專家在300 GHz頻段的收發(fā)器中使用基于InP的HEMT進(jìn)行無線傳輸的演示。

（4）高效功率器件High-efficiency power devices

HEMT的高效率也使電源轉(zhuǎn)換設(shè)備受益，從而導(dǎo)致了世界上最小、效率最高的AC適配器的開發(fā)，幫助提高硬件效率應(yīng)有助于減少二氧化碳排放。

HEMT的發(fā)展

如同硅基半導(dǎo)體發(fā)展出Bipolar、CMOS、DMOS、BCD、BiCMOS工藝一樣，HEMT也發(fā)展出了多種不同工藝：pHEMT、HBT、BiHEMT、GaN HEMT等。不同工藝有不同的特點(diǎn)，應(yīng)用場合也有差異。

pHEMT（Pseudomorphic HEMT）在1985年由T.W. Waselink提出，適合低噪聲和高線性的產(chǎn)品制作，如高速Switch。

HBT（Heterojunctions Bipolar Transistors）主要用于制作VCO（壓控振蕩器）和手機(jī)PA，HBT在手機(jī)PA中超過90%。

BiHEMT（異質(zhì)結(jié)雙極暨假晶高電子遷移率晶體管外延芯片）是pHEMT和HBT的結(jié)合產(chǎn)物，類似于BiCMOS是Bipolar和CMOS的結(jié)合產(chǎn)物一樣；BiHEMT經(jīng)由電路設(shè)計(jì)透過外延生長及制造將InGaP HBT線性功率放大器、AlGaAs pHEMT高頻開關(guān)、AlGaAs pHEMT邏輯控制電路、AlGaAs pHEM低噪聲的功率放大器、被動(dòng)組件及內(nèi)部連接線路整合在單一砷化鎵芯片中。

GaN HEMT首個(gè)產(chǎn)品于1993年問世（1992年美國南卡萊羅納大學(xué)的Khan成功地在藍(lán)寶石襯底上外延生長出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)）。

自1980年HEMT論文首次發(fā)表以來，有關(guān)HEMT的技術(shù)論文數(shù)量逐年增加。根據(jù)IEEE的調(diào)查，2016年有584篇論文發(fā)表。