HEMT und HBT für RF-Anwendungen

Das Prinzip des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG), das bereits im Kapitel GaN-Leistungsbauelemente für den GaN-Leistungs-HEMT eingeführt wurde, bildet auch die Grundlage von Hochfrequenz-HEMTs auf Basis von GaAs und InP: Eine Heterostruktur aus zwei Halbleitern unterschiedlicher Bandlücke erzeugt an der Grenzfläche einen undotierten, hochbeweglichen Kanal, dessen Elektronen räumlich von den ionisierten Störstellen des Donatorgebiets getrennt sind.

Für Hochfrequenzanwendungen wird meist GaAs als pseudomorpher HEMT (pHEMT) oder als metamorpher HEMT (mHEMT) mit InGaAs-Kanal ausgeführt, da InGaAs mit Beweglichkeiten von 10.000 bis 12.000 cm²/Vs eine noch höhere Elektronenbeweglichkeit als reines GaAs bietet. Kenngrößen wie die Transitfrequenz f_T und die maximale Schwingfrequenz f_max liegen bei modernen GaAs-pHEMTs im Bereich von 100 bis 150 GHz, bei hochskalierten InP-HEMTs mit Gatelängen unter 50 nm sind im Labor bereits f_T-Werte von über 600 GHz demonstriert worden, wodurch sich diese Bauelemente bis in den Terahertz-nahen Millimeterwellenbereich einsetzen lassen.

Der Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) überträgt das Heterostrukturprinzip auf den Bipolartransistor, indem der Emitter aus einem Material mit größerer Bandlücke besteht als die Basis – etwa InGaP oder AlGaAs als Emitter auf einer GaAs-Basis. Die größere Bandlücke des Emitters unterdrückt die Rückinjektion von Löchern aus der Basis in den Emitter, so dass die Basis im Gegensatz zum klassischen Bipolartransistor sehr hoch dotiert werden kann (typisch 10¹⁹ bis 10²⁰ cm^-3), ohne dass die Stromverstärkung darunter leidet, die bei GaAs-HBTs üblicherweise Werte von 50 bis 150 erreicht.

Die hohe Basisdotierung senkt den Basiswiderstand und ermöglicht dünnere Basisschichten von oft nur 50 bis 100 nm, was die Transitzeit der Ladungsträger und damit die Grenzfrequenz deutlich verbessert – kommerzielle GaAs-HBTs erreichen f_T- und f_max-Werte im Bereich von 150 bis 300 GHz. HBTs zeichnen sich zudem durch eine sehr lineare Übertragungskennlinie und geringes Phasenrauschen aus, was sie für Leistungsverstärker besonders geeignet macht.