High-electron-mobility transistor

Der „Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit“ (englisch high-electron-mobility transistor (HEMT)) ist eine spezielle Bauform des Feldeffekttransistors (FET) für sehr hohe Frequenzen und ist von der Konstruktion her eine spezielle Bauform eines Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MeSFET).

Andere Bezeichnungen für diesen Transistortyp 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).

Aufbau und Funktionsweise

Das Bauteil besteht aus Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken (siehe Heterostruktur). Häufig wird das Materialsystem Aluminiumgalliumarsenid/Galliumarsenid (AlGaAs/GaAs) verwendet, wobei das AlGaAs hoch n-dotiert und das GaAs nicht dotiert wird. Da die Bandlücke des AlGaAs größer ist als die des GaAs, bildet sich an der Grenzfläche dieser beiden Materialien auf Seiten des GaAs ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, das als leitfähiger Kanal dienen kann. Die Elektronenbeweglichkeit ist darin sehr hoch.

Weiter verbessert werden kann die Elektronenbeweglichkeit durch eine Modulationsdotierung des AlGaAs, wie sie erstmals unter anderem von Horst Störmer vorgeschlagen wurde. Dadurch sinkt die Elektronenstreuung des 2DEG an geladenen Störstellen und führt somit zu einer weiteren Steigerung der Ladungsträgermobilität, was Voraussetzung zur Entdeckung des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts war (Nobelpreis für Physik 1998).

Entwicklungsgeschichte

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

Weitere Halbleitersysteme

Das HEMT-Prinzip ist auch auf andere Materialsysteme wie InGaAs/InP/AlInAs, AlGaN/GaN, AlInN/GaN und Si/SiGe anwendbar.

Gegenstand der Forschung und Entwicklung seit den 2010er Jahren sind Halbleiter mit breitem Bandabstand, z. B. die Materialkombinationen aus Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) oder Aluminiumindiumnitrid (AlInN), das aufgrund seines vergleichsweise hohen Bandabstands eine höhere Betriebsspannung ermöglicht, bevor es zum Felddurchbruch kommt.

Besonders für die Herstellung von Leistungstransistoren basierend auf Leistungshalbleitern erweist sich diese Materialkombination als vorteilhaft, da die Ausgangsimpedanz bei gleicher Leistung steigt und somit die Auskopplung der Energie vereinfacht wird (Anpassung). Auf Siliciumcarbid (SiC) abgeschieden, weist es zudem einen geringeren thermischen Widerstand als GaAs-Materialkombinationen auf, was sich positiv auf die maximale Verlustleistung bzw. Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirkt.

Anwendungsbereich

Der HEMT ist aufgrund der hohen Ladungsträgermobilität für Hochfrequenzanwendungen gut geeignet. Die Steuerung des Bauelementes erfolgt, ähnlich wie beim Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MeSFET), über ein Metall-Gate, das mit der n-AlGaAs-Schicht verbunden ist.

Literatur

Werner Bächtold, Otto Mildenberger: Mikrowellenelektronik. Vieweg+Teubner Verlag, 2002, ISBN 3-528-03937-X, S. 49 ff.
Kai Chang: Microwave Solid-State Circuits and Applications (= Wiley Series in Microwave and Optical Engineering). Wiley, New York 1994, ISBN 978-0-471-54044-1 (englisch, Microwave Solid-State Circuits and Applications).
I. J. Bahl, P. Bhartia (Hrsg.): Microwave Solid State Circuit Design. 2. Auflage. Wiley-Interscience, New York 2003, ISBN 978-0-471-20755-9 (englisch, archive.org).
Anatoly Belous: Handbook of Microwave and Radar Engineering. Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-030-58698-0, doi:10.1007/978-3-030-58699-7 (englisch).

Einzelnachweise

↑ Sigfrid Yngvesson: MESFET Devices. In: Microwave Semiconductor Devices. Springer US, Boston, MA 1991, ISBN 978-1-4613-6773-4, S. 297–362, doi:10.1007/978-1-4615-3970-4_10 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).
↑ K.K. Ng: A survey of semiconductor devices. In: IEEE Transactions on Electron Devices. Band 43, Nr. 10, Oktober 1996, ISSN 1557-9646, S. 1760–1766, doi:10.1109/16.536822 (englisch, ieee.org [abgerufen am 13. Juli 2026]).
↑ Udo W. Pohl: Epitaxy of Semiconductors: Physics and Fabrication of Heterostructures (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-030-43868-5, doi:10.1007/978-3-030-43869-2 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).
↑ Takashi Mimura, Satoshi Hiyamizu, Toshio Fujii, Kazuo Nanbu: A New Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/n-Al_xGa_1-xAs Heterojunctions. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 19, Nr. 5, 1. Mai 1980, ISSN 0021-4922, S. L225, doi:10.1143/JJAP.19.L225 (englisch).
↑ Takashi Mimura, Kazukiyo Joshin, Satoshi Hiyamizu, Kohki Hikosaka, Masayuki Abe: High Electron Mobility Transistor Logic. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 20, Nr. 8, 1. August 1981, ISSN 0021-4922, S. L598, doi:10.1143/JJAP.20.L598 (englisch).
↑ Takashi Mimura: Development of High Electron Mobility Transistor. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 44, 12R, 1. Dezember 2005, ISSN 0021-4922, S. 8263, doi:10.1143/JJAP.44.8263 (englisch).
↑ Lester F. Eastman, Kenneth chu, Joseph smart, J. Richard Shealy: GaN Materials for High Power Microwave Amplifiers. In: MRS Proceedings. Band 512, 1998, ISSN 0272-9172, doi:10.1557/PROC-512-3 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).

[1] Sigfrid Yngvesson: MESFET Devices. In: Microwave Semiconductor Devices. Springer US, Boston, MA 1991, ISBN 978-1-4613-6773-4, S. 297–362, doi:10.1007/978-1-4615-3970-4_10 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).

[2] K.K. Ng: A survey of semiconductor devices. In: IEEE Transactions on Electron Devices. Band 43, Nr. 10, Oktober 1996, ISSN 1557-9646, S. 1760–1766, doi:10.1109/16.536822 (englisch, ieee.org [abgerufen am 13. Juli 2026]).

[3] Udo W. Pohl: Epitaxy of Semiconductors: Physics and Fabrication of Heterostructures (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-030-43868-5, doi:10.1007/978-3-030-43869-2 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).

[4] Takashi Mimura, Satoshi Hiyamizu, Toshio Fujii, Kazuo Nanbu: A New Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/n-Al_xGa_1-xAs Heterojunctions. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 19, Nr. 5, 1. Mai 1980, ISSN 0021-4922, S. L225, doi:10.1143/JJAP.19.L225 (englisch).

[5] Takashi Mimura, Kazukiyo Joshin, Satoshi Hiyamizu, Kohki Hikosaka, Masayuki Abe: High Electron Mobility Transistor Logic. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 20, Nr. 8, 1. August 1981, ISSN 0021-4922, S. L598, doi:10.1143/JJAP.20.L598 (englisch).

[6] Takashi Mimura: Development of High Electron Mobility Transistor. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 44, 12R, 1. Dezember 2005, ISSN 0021-4922, S. 8263, doi:10.1143/JJAP.44.8263 (englisch).

[7] Lester F. Eastman, Kenneth chu, Joseph smart, J. Richard Shealy: GaN Materials for High Power Microwave Amplifiers. In: MRS Proceedings. Band 512, 1998, ISSN 0272-9172, doi:10.1557/PROC-512-3 (englisch, springer.com [abgerufen am 13. Juli 2026]).