PHEMT是對高電子遷移率電晶體(HEMT)的一種改進結構,也稱為贗調製摻雜異質結場效應電晶體(PMODFET)。
(1)普通HEMT的缺點:
雖然普通結構的HEMT具有很好的高頻、高速性能,但是也存在有一個很大的問題,那就是其性能的溫度穩定性較差。經過研究發現,這與n-AlxGa1-xAs中出現的一種陷阱——“DX中心”有關。這種DX中心能俘獲或放出電子,使得HEMT中的二維電子氣(2-DEG)濃度將隨溫度而變化,從而導致HEMT的閾值電壓不穩定,特別是在低溫下,由於DX中心存儲電子的作用較強,可造成HEMT的I-V特性崩塌。
實驗表明,對摻Si的n-AlxGa1-xAs,在組分x<0.2時,基本上不產生DX中心;相反,在組分x≥0.2時則產生高濃度的DX中心。然而,對於常規HEMT中的n-AlxGa1-xAs控制層層,為了獲得一定的勢阱深度和2-DEG濃度,通常選取x=0.3,故必然存在有DX中心的不良影響。如何消除DX中心的影響? ——這就發展出所謂PHEMT(Pseudomorphic HEMT)。
PHEMT的基本器件結構是n+-AlxGa1-xAs/i-InGaAs/i–GaAs型式,這裡採用了不摻雜的i–InGaAs層作為溝道層,相應的能帶配置狀況如圖所示。因為InGaAs的禁頻寬度較窄,則在異質結n+-AlxGa1-xAs/i-InGaAs界面處形成的勢阱深度(ΔEc)較大,所以這時就可以適當降低n+-AlxGa1-xAs控制層的組分x(使得x<0.2),以避免出現DX中心;例如選取x=0.15時,可得到ΔEc≈0.3eV。可見,採用n+-AlxGa1-xAs/i-InGaAs這種調製摻雜異質結,即可消除DX中心的影響,並能夠獲得足夠穩定而良好的器件性能。
(3)PHEMT的性能優點: 在PHEMT的結構中還有一個i-InGaAs/i–GaAs異質結,該異質結的勢壘高度(導帶底的能量差)約為0.17eV;這樣,就使得i-InGaAs溝道層成為了一個量子阱(底部傾斜的量子阱),2-DEG即處於其中。因此,PHEMT中的2-DEG要比普通HEMT中的多受到一些限制(有勢阱兩邊的雙重限制作用),從而具有更高的電子面密度(約高2倍);同時,這裡的電子遷移率也較高(比GaAs中的高9 %),因此PHEMT的性能更加優越。總之PHEMT具有雙異質結的結構,這不僅提高了器件閾值電壓的溫度穩定性,而且也改善了器件的輸出伏安特性,使得器件具有更大的輸出電阻、更高的跨導、更大的電流處理能力以及更高的工作頻率、更低的噪聲等。
在製作PHEMT時,為了克服InGaAs/GaAs異質結界面的因晶格失配(約為1%)而產生的應力的影響,一般是把InGaAs層生長得很薄(厚度約為20nm),讓其中的晶格存在有畸變,以吸收它與GaAs層之間的因晶格失配而產生的應力。這種存在有晶格畸變的薄膜稱為贗晶膜。並因此也就稱這種HEMT為贗配高電子遷移率電晶體(PHEMT)。