【IEEE里程碑奖】HEMT技术详解

2019年12月18日，HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）获颁IEEE里程碑牌匾，以表彰HEMT为通信领域做出的巨大贡献。

该牌匾放在日本厚木的富士通实验室。牌匾上刻文：

HEMT是第一个在两种具有不同能隙的半导体材料之间结合界面的晶体管。HEMT由于其高迁移率的沟道载流子而被证明优于以前的晶体管技术，从而具有高速和高频性能。它们已广泛用于射电望远镜、卫星广播接收器和蜂窝基站，成为支持信息和通信社会的一项基本技术。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是一种异质结场效应晶体管，1979年12月由富士通的三村隆史（Takashi Mimura）发明，并于1980年发表了第一篇有关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单异质结的结构通过场效应来控制二维电子气（2DEG）。在n型AlGaAs与GaAs之间的单个异质结中，引入了一个肖特基结，该肖特基结在n型AlGaAs的表面上形成了耗尽层。当用作栅极时，场效应可能施加在GaAs层内部的二维电子气上，这可以使用场效应来控制电子密度。这产生了使用二维电子气的高速晶体管，该电子气不受掺杂剂散射的影响。HEMT开创了高频和高速半导体器件的新领域。

随后，三村隆史（Takashi Mimura）团队也在高速逻辑电路和微波等应用中，对HEMT的研究与开发取得发展，先后发表了多篇重要论文，1980年有关“具有创纪录的开关延迟的集成电路”，1983年第一个“HEMT低噪声放大器”和1988年用于“超级计算机的HEMT-LSI”。

HEMT的商业化

（1）低噪声放大器low-noise amplifier

HEMT的第一个商业应用是低噪声放大器。

由于其出色的低噪声性能，HEMT可用于接收来自太空的非常微弱的信号。1985年被用于日本长野县野边山天文台（Nobeyama Radio Observatory，NRO）45米射电望远镜，并在1986年促成发现距金牛座分子云约400光年的星际分子。

HEMT用于卫星广播接收机，使抛物面天线的直径减小到一半以下，从而有助于普及卫星广播。由于无线电信号的传播不考虑国界，因此卫星广播的传播促进了信息流的全球化。

据悉，HEMT低噪声放大器的市场1990年高达1亿美元。

（2）毫米波放大器Millimeter-wave amplifier

由于HEMT可以在高频下运行，因此可以用来制作毫米波放大器。在1990年代末，基于毫米波雷达的产品的开发向前发展，该毫米波雷达用于车辆防撞系统中，通过检测与前方汽车的距离和速度差来防止或减轻碰撞。当时，HEMT被用于收发器中，因为它是一种固态设备，可以在毫米波段内可靠地运行，从而可以将雷达硬件做得更小，重量不超过700克，得以在乘用车实际使用。

（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。利用这一特性，基于GaN的HEMT被用于蜂窝基站的高增益放大器中，为生产世界上最小的基站做出了贡献。通过这种方式，HEMT通过促进无线网络的建设以应对通信量的爆炸性增长，来帮助支持信息和通信社会。

2016年国际微波研讨会上，有专家在300 GHz频段的收发器中使用基于InP的HEMT进行无线传输的演示。

（4）高效功率器件High-efficiency power devices

HEMT的高效率也使电源转换设备受益，从而导致了世界上最小、效率最高的AC适配器的开发，帮助提高硬件效率应有助于减少二氧化碳排放。

HEMT的发展

如同硅基半导体发展出Bipolar、CMOS、DMOS、BCD、BiCMOS工艺一样，HEMT也发展出了多种不同工艺：pHEMT、HBT、BiHEMT、GaN HEMT等。不同工艺有不同的特点，应用场合也有差异。

pHEMT（Pseudomorphic HEMT）在1985年由T.W. Waselink提出，适合低噪声和高线性的产品制作，如高速Switch。

HBT（Heterojunctions Bipolar Transistors）主要用于制作VCO（压控振荡器）和手机PA，HBT在手机PA中超过90%。

BiHEMT（异质结双极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片）是pHEMT和HBT的结合产物，类似于BiCMOS是Bipolar和CMOS的结合产物一样；BiHEMT经由电路设计透过外延生长及制造将InGaP HBT线性功率放大器、AlGaAs pHEMT高频开关、AlGaAs pHEMT逻辑控制电路、AlGaAs pHEM低噪声的功率放大器、被动组件及内部连接线路整合在单一砷化镓芯片中。

GaN HEMT首个产品于1993年问世（1992年美国南卡莱罗纳大学的Khan成功地在蓝宝石衬底上外延生长出AlGaN/GaN异质结）。

自1980年HEMT论文首次发表以来，有关HEMT的技术论文数量逐年增加。根据IEEE的调查，2016年有584篇论文发表。