≪ＨＥＭＴとは≫

　まずＨＥＭＴとＦＥＴの違いを復習しよう。ＭＥＳＦＥＴ（ＭＥｔａｌ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）では図１に示すようにチャネルの空欠層をゲート電圧で制御することによりチャネルの抵抗を制御する。ゲート電圧を下げて空欠層を拡大すると抵抗が上がり、ついにはチャネルが空欠層によりふさがれて電流が流れなくなる。これをピンチオフという。チャネルの抵抗を下げようとして不純物を増すと、そのために電子の移動度が低下するというジレンマがある。

　 ＨＥＭＴはＨｉｇｈ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒの名の通り不純物のないチャネルを高移動度の電子が駆け抜ける。それでは不純物のない半ば絶縁体の半導体になぜ電子を存在させることができるのか。

　 図２に示すように、それは半導体のエネルギー構造による。ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロジャンクションではエネルギーバンドの違いにより伝導帯の鋭い落ち込みがフェルミレベルＥｆを下回り、電子の井戸ができる。これは電子の水たまりのようなものだ。この電子は、非常に薄い膜状のものなので２Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｇａｓ（２ＤＥＧ）と呼ばれる。その井戸の深さをゲート電圧によって制御することによりソースドレイン間の抵抗を制御する。図３にＧａＮ　ＨＥＭＴの構造を示す。

　 ゲート電圧を下げると（これはエネルギーを上げることだが）井戸が浅くなり、ついにはＥｆを上回ると電子がなくなり電流が流れなくなる。その電圧をピンチオフ電圧Ｖｐという。これはＦＥＴの用語をそのままＨＥＭＴに流用しているが、異なる物理現象である。電圧電流特性はＦＥＴ、ＨＥＭＴともに図４のようになる。電圧を上げて電流が増えるがあるところで飽和する。これは、その電流によってゲート下の電圧が上がりピンチオフ状態になるためである。

　 このようにＨＥＭＴでは一般にゲート電圧が０Ｖの時にはＯＮである。つまりノーマリオンである。　エネルギー構造を工夫することによりノーマリオフにできるがパワー素子には向かないものになる。

≪ＧａＮ　ＨＥＭＴ≫

　ＧａＮ　ＨＥＭＴは、ＧａＡｓによるｐＨＥＭＴ（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃマイナスＨＥＭＴ）と何が違うのか。ＧａＮ、ＧａＡｓなど半導体の違いを表１にまとめた。

　 ＧａＮはバンドギャップが広いので高温動作が可能である。これは価電子帯と伝導帯の間の禁止帯のギャップが広いということである。半導体は高温になると、このバンドギャップを超える電子や正孔が増加し、ついには半導体ではなくなってしまう。

　 絶縁破壊耐圧が高い。これはＳｉやＧａＡｓに比べて高電圧での動作が可能ということである。たとえば２４Ｖで１００Ｗを出力するためには１００/２４＝４．２Ａを必要とする。これは出力インピーダンス２４/４．２＝５．７Ωということである。同様に４８Ｖで１００Ｗを出力するためには２．１Ａであり２３Ωとなる。高電圧動作であるほど高インピーダンスで出力を取り出すことができる。最終的に５０Ωにマッチングすることを考えると高電圧動作は高出力アンプに重要である。飽和電子速度が高い。これはもちろん高周波に重要である。

≪ＧａＮ　ＨＥＭＴの基板≫

　ＧａＮを基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）により成長させる。シリコンデバイスには、シリコン基板をＧａＡｓデバイスにはＧａＡｓ基板を使うようにＧａＮデバイスにＧａＮ基板を使うわけにはいかない。ＧａＮ基板は非常に高価である。表２に基板の比較を示す。

　 現在は、ＳｉＣまたはＳｉを基板として使うのが一般的である。ＳｉＣはＳｉと比較して熱伝導がよいのでパワー素子に良く、格子定数もＧａＮに近いので良質のＧａＮ結晶を作ることができる。Ｓｉに比べて高価なのが問題であるが値段は下がりつつある。

≪ＧａＮ　ＨＥＭＴの新しい動き≫

　現在はＧａＮの上にＡｌＧａＮを成長させてヘテロ構造を作る。ＡｌＮの格子定数がＧａＮに比べて小さいためＡｌＧａＮ/ＧａＮの境界には大きなストレスが内在する。これはピエゾ効果により電子を増やす良い面もあるが、ＡｌＮ濃度を高めてシート抵抗を下げようとしても限界がある。

　 図５のように、特定構成比のＩｎＡｌＮによって格子定数をＧａＮに合わせることができる。このＩｎＡｌＮ/ＧａＮによる新しいＧａＮ　ＨＥＭＴの試みが始まった。

＜石崎芳文：エム・アールエフ（株）＞