11.1 Aufbau des HEMTs

Ein HEMT besteht im allgemeinen aus mehreren Schichten, die auf ein Substratmaterial aufgebracht werden. Diese Schichten werden durch ein Banddiagramm (bei elektronenleitenden HEMTs des Leitungsbandes) charakterisiert. Es gibt mehrere Grundformen, die sich unterschiedlich gut für die einzelnen Anwendungen eignen.

Gegenüber dem MOS-Transistor zeigt der HEMT viele Vorteile, aber auch einige wesentliche Einschränkungen; dies nicht nur hinsichtlich seiner aufwendigen Herstellung.

So ist bei einem MOSFET die Höhe der energetischen Barriere, die die Elektronen (im Fall des n-MOS) am Übertritt zum Gate hindert, mit etwa 3 eV ausreichend, um einen großen Steuerbereich der Gatespannung zuzulassen. Dagegen erlauben die 330 meV, die bei dem hier untersuchten HEMT den Kanal abgrenzen, einen relativ leichten Übertritt von Elektronen zum Gate bzw. in die dem Gate unterlagerte Schicht (den sogenannten supply layer).

Das bewirkt, daß man am Gate nur geringe Spannungshübe ausnutzen kann, um damit den Kanal zu steuern, oder daß das Gate durch große Entfernung vom Kanal nicht die gleiche Wirksamkeit erreicht. Der HEMT ist also nur in einem vergleichsweise kleinen Bereich zu betreiben.

Bei der Herstellung von HEMTs muß auf die auftretenden mechanischen Spannungszustände besonderes Augenmerk gelegt werden. Durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten der verwendeten Materialmischungen kommt es zu Verspannungen, die bei besonders dicken Schichten zu Kristalldefekten und Gitterversetzungen führen. Solche Störungen der Kristallstruktur beeinträchtigen die hohe Beweglichkeit im Kanal, die ja das eigentliche Entwurfsziel des HEMT ist. Daher ist die Dicke der einzelnen Schichten begrenzt.

Um mittels MBE (molecular beam epitaxy) oder MOCVD (metal-organic chemical vapour deposition) eine Materialschicht möglichst ohne Fehler und Verspannungen auf eine andere aufwachsen zu können [1], müssen die Gitterkonstanten der beiden Materialien möglichst übereinstimmen. Sind die Gitterkonstanten gleich, spricht man von gitterangepaßtem (lattice matched) Wachstum. So ist zum Beispiel AlGaAs für jedes im Bereich gitterangepaßt auf GaAs aufzuwachsen.

Sind die Gitterkonstanten ungleich, so kommt es zu Verspannungen im Kristallgitter (strain, stress) und Fehlern in der Anpassung (mismatch). Ist der Anteil an Gitterfehlern so gering, daß er die Qualität des Kristalls nicht beeinflußt, spricht man von ,,pseudomorphen`` Strukturen. InGaAs ist für pseudomorph auf GaAs oder AlGaAs aufzuwachsen. Für entstehen dann verspannte Schichten (sogenannte strained layers).

Um nicht an die Gitterkonstante des Substrats gebunden zu sein, kann man auf dieses eine Schicht mit einem bestimmten Legierungsverhältnis aufwachsen, die dick genug ist, daß sich die Gitterstruktur darin an eine neue Gitterkonstante anpaßt. Auf diese Schicht als eigentlichen Träger baut man dann das Bauelement auf.

Der HEMT, der in diesem Kapitel analysiert wird und der im weiteren als ,,Low-noise``-HEMT bezeichnet wird, zeigt eine Schichtstruktur laut Bild 11.4. Die einzelnen Schichten haben die folgende physikalische Funktion:

1. Substrat:
   Unlegierter Halbleiter (GaAs), nicht dotiert oder sehr schwach p-gegendotiert.
   Das Substrat dient zur räumlichen Abgrenzung des Kanals in die Tiefe, damit sich dieser gut ausschalten läßt. Im Gegensatz zum MOSFET wird der HEMT nicht oder nur sehr gering substratdotiert, für die elektrische Abgrenzung von Source- und Drain-Gebiet muß die Isolationsfähigkeit von intrinsischem GaAs ausreichen.
2. Kanal:
   Schmalbandhalbleiter (InGaAs), nicht dotiert.
   Der Kanal wird gegen die Oberfläche und gegen das Substrat hin durch einen Sprung in der Leitungsbandkante energetisch abgegrenzt. Die Dicke des Kanals bei dem modellierten HEMT beträgt 12 nm, das sind etwa 40 Atomlagen (Die Gitterkonstante von InGaAs ist 5.9773Å, und pro Gitterkonstante sind zwei Atomlagen vorhanden). Dieser Wert stellt in fertigungstechnischer Hinsicht ein Optimum dar.
3. Spacer:
   Breitband-Halbleiter (AlGaAs), nicht dotiert.
   Der Spacer ist notwendig, um die Streuung, die durch die ionisierten Dopanden im Supply-Layer bewirkt würde, vom Kanal räumlich fernzuhalten. Ansonsten unterscheidet er sich nicht vom Supply-Layer.
4. Supply:
   Breitband-Halbleiter (AlGaAs), n-dotiert.
   Der Supply-Layer liefert durch seine Dotierung die notwendigen Elektronen für den Kanal, das heißt, er sorgt für die entsprechenden Potentialverhältnisse, die eine Ansammlung von Elektronen im Kanal möglich machen. Es ist ein charakteristischer Vorzug des HEMT, daß die Dotierstoffe von den Ladungsträgern, die sie liefern, getrennt sind. Dadurch erhält man die Vorzüge, die beim MOS-Transistor die Kanaldotierung verschafft (Einstellen der Schwellspannung), ohne deren Nachteile (die Störstellenstreuung).
5. Source/Drain Cap:
   Unlegierter Halbleiter (GaAs), stark n-dotiert.
   Die beiden Caps unter Source und Drain bewirken durch ihre besonders hohe n-Dotierung eine Ankontaktierung der beiden Metallschichten ohne hohen Übergangswiderstand.