【IEEE里程碑獎】HEMT技術
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為通信領域做出的巨大貢獻。
該牌匾放在日本厚木的富士通實驗室。牌匾上刻文:
HEMT是第一個在兩種具有不同能隙的半導體材料之間結合界面的晶體管。HEMT由于其高遷移率的溝道載流子而被證明優于以前的晶體管技術,從而具有高速和高頻性能。它們已廣泛用于射電望遠鏡、衛星廣播接收器和蜂窩****,成為支持信息和通信社會的一項基本技術。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是一種異質結場效應晶體管,1979年12月由富士通的三村隆史(Takashi Mimura)發明,并于1980年發表了第一篇有關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單異質結的結構通過場效應來控制二維電子氣(2DEG)。在n型AlGaAs與GaAs之間的單個異質結中,引入了一個肖特基結,該肖特基結在n型AlGaAs的表面上形成了耗盡層。當用作柵極時,場效應可能施加在GaAs層內部的二維電子氣上,這可以使用場效應來控制電子密度。這產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開創了高頻和高速半導體器件的新領域。
隨后,三村隆史(Takashi Mimura)團隊也在高速邏輯電路和微波等應用中,對HEMT的研究與開發取得發展,先后發表了多篇重要論文,1980年有關“具有創紀錄的開關延遲的集成電路”,1983年第一個“HEMT低噪聲放大器”和1988年用于“超級計算機的HEMT-LSI”。
HEMT的商業化
(1)低噪聲放大器low-noise amplifier
HEMT的第一個商業應用是低噪聲放大器。
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。1985年被用于日本長野縣野邊山天文臺(Nobeyama Radio Observatory,NRO)45米射電望遠鏡,并在1986年促成發現距金牛座分子云約400光年的星際分子。
HEMT用于衛星廣播接收機,使拋物面天線的直徑減小到一半以下,從而有助于普及衛星廣播。由于無線電信號的傳播不考慮國界,因此衛星廣播的傳播促進了信息流的全球化。
據悉,HEMT低噪聲放大器的市場1990年高達1億美元。
?。?strong>2)毫米波放大器Millimeter-wave amplifier
由于HEMT可以在高頻下運行,因此可以用來制作毫米波放大器。在1990年代末,基于毫米波雷達的產品的開發向前發展,該毫米波雷達用于車輛防撞系統中,通過檢測與前方汽車的距離和速度差來防止或減輕碰撞。當時,HEMT被用于收發器中,因為它是一種固態設備,可以在毫米波段內可靠地運行,從而可以將雷達硬件做得更小,重量不超過700克,得以在乘用車實際使用。
(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****的高增益放大器中,為生產世界上最小的****做出了貢獻。通過這種方式,HEMT通過促進無線網絡的建設以應對通信量的爆炸性增長,來幫助支持信息和通信社會。
2016年國際微波研討會上,有專家在300 GHz頻段的收發器中使用基于InP的HEMT進行無線傳輸的演示。
(4)高效功率器件High-efficiency power devices
HEMT的高效率也使電源轉換設備受益,從而導致了世界上最小、效率最高的AC適配器的開發,幫助提高硬件效率應有助于減少二氧化碳排放。
HEMT的發展
如同硅基半導體發展出Bipolar、CMOS、DMOS、BCD、BiCMOS工藝一樣,HEMT也發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,應用場合也有差異。
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PA,HBT在手機PA中超過90%。
BiHEMT(異質結雙極暨假晶高電子遷移率晶體管外延芯片)是pHEMT和HBT的結合產物,類似于BiCMOS是Bipolar和CMOS的結合產物一樣;BiHEMT經由電路設計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、AlGaAs pHEMT邏輯控制電路、AlGaAs pHEM低噪聲的功率放大器、被動組件及內部連接線路整合在單一砷化鎵芯片中。
GaN HEMT首個產品于1993年問世(1992年美國南卡萊羅納大學的Khan成功地在藍寶石襯底上外延生長出AlGaN/GaN異質結)。
自1980年HEMT論文首次發表以來,有關HEMT的技術論文數量逐年增加。根據IEEE的調查,2016年有584篇論文發表。
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