高電子移動度トランジスタ

高電子移動度トランジスタ (HEMT) の解説

高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor、HEMT）は、その優れた特性から、現代の電子機器において重要な役割を担う半導体デバイスです。ヘテロ接合構造を利用することで、従来のトランジスタを凌駕する高い電子移動度を実現し、高周波領域での動作に最適化されています。

HEMT の構造と動作原理

HEMT の基本構造は、半絶縁性基板上に複数の[半導体]]層をエピタキシャル成長によって積み重ねたものです。代表的な材料系として、ガリウム砒素(GaAs)とアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)の組み合わせが挙げられます。GaAs層とAlGaAs層のバンドギャップの差により、界面近傍に高濃度の二次元電子ガス]が形成されます。この2DEG がチャネルとして機能することで、高い[[電子移動度が実現されます。

具体的には、半絶縁性基板上に、アンドープのGaAs層、アンドープのAlGaAs層、そしてn型AlGaAs層を順次積層します。n型AlGaAs層のドナーから供給された電子は、バンドギャップの差によってGaAs層側の界面に蓄積し、2DEG を形成します。チャネルとなるGaAs層とAlGaAsスペーサ層は不純物を含まないため、電子散乱が少なく、高い電子移動度が得られます。この、バンドギャップの異なる半導体層を用いてキャリアを制御する手法は、変調ドーピングと呼ばれています。

HEMT は、ソース、ゲート、ドレインの3つの電極を持ちます。ゲート電圧を制御することで、2DEG の濃度、ひいてはチャネルの伝導度を調整し、トランジスタとしてのスイッチング動作を実現します。ドレイン電圧に対して電流が飽和する特性を示し、高周波領域での動作に適しています。

HEMT の特性と利点

HEMT の大きな特徴は、以下のとおりです。

高い電子移動度: 室温で約6,000cm²/Vs、低温ではさらに高い移動度を示します。
高い相互コンダクタンス: InP 系 HEMT では 1 S/mm を超える値が得られています。
高周波特性の優位性: 高い電流利得カットオフ周波数 (fT) と最大発振周波数 (fmax) を持ちます。2008 年には 30nm ゲート InP 系 PHEMT で fT = 628GHz が達成されました。
低雑音: 高周波領域においても低い雑音指数を実現できます。
高速スイッチング: 高速なオンオフ動作が可能です。

これらの特性により、HEMT は高周波増幅器、スイッチング回路、ミキサーなど、高周波デバイスとして幅広く活用されています。

HEMT の種類とバリエーション

HEMT は、材料系や構造のバリエーションが豊富です。主なものとして、以下の種類があります。

コンプリメンタリ HEMT: n 型と p 型の HEMT を組み合わせたものですが、p 型 HEMT のホール移動度が低いため、実用化は進んでいません。
逆 HEMT 構造: AlGaAs 層と GaAs 層の配置を逆にした構造。
二重 HEMT: 通常の HEMT 構造と逆 HEMT 構造を組み合わせたもの。
シュードモルフィック HEMT: 格子整合させた InGaAs をチャネルに使用することで、さらに高移動度を実現したもの。
メタモルフィック HEMT: 格子整合を意識せずに、より高性能を目指すもの。

また、材料系としては、GaAs 系、InP 系、GaN 系、SiGe 系などがあります。各材料系はそれぞれ特性が異なり、用途に合わせて最適な材料が選択されます。

HEMT の用途

HEMT は、その高い周波数特性を生かして、主に高周波回路に使用されます。具体的には、以下の用途があります。

高周波増幅器: 通信システム、レーダーシステムなど
高周波スイッチ: 通信システム、計測機器など
ミキサー: 通信システム、受信機など
パワーアンプ: 通信システム、レーダーシステムなど

特に、ミリ波帯以上の高周波数領域では、HEMT はシリコンベースのデバイスに比べて圧倒的な性能を示し、不可欠なデバイスとなっています。近年では、5G や次世代通信システムの高周波化に伴い、HEMT の需要はますます高まっています。また、2019年にはIEEEマイルストーンに認定され、世界中の映像技術の発展に貢献したことが高く評価されました。

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