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HEMT元件物語

  • 詹益仁

80年代初期發明了HEMT,讓航海家二號最靠近海王星的時候,所傳回來的訊號能被地面接收站清楚地收到。NASA

HEMT (high electron mobility transistor),中文譯為「高電子移導率電晶體」,在人類的科技史上是一個很重要的發明。電子在半導體內跑得越快,就有機會讓元件操作在更高的速度及頻率響應。舉凡目前5G無線通訊系統功率及低雜訊放大器,或是電動車內作為高功率電源轉換,都需要用到此HEMT元件。如果5G通訊開始使用到毫米波,更是非HEMT莫屬。而HEMT從發明到應用,其中有幾件有趣且有意義的事,值得跟各位分享。

先談一件人類在星球探險上很重大的成就,在1940年代天文物理學家就計算出在80年代,太陽系的行星會排成一列類拋物線的運動軌跡,因此如果發射一枚人造衛星,就可以利用行星引力所產生的動力,將人造衛星送到太陽系外;否則光靠人造衛星的動力是到不了這麼遠的天際。所以美國太空總署在1977年先後發射了航海家一號及二號人造衛星,希望利用尤其是木星的引力,將人造衛星送到天王星甚至海王星,做近距離的觀測。

但是人造衛星能達到這麼遠的天際,其所傳回來的微弱訊號,必須要能被地面上的衛星接收站所接收,而這其中最大的關鍵在於接收端的微波低雜訊放大器(LNA)。當時低雜訊放大器的技術,並沒有十足把握能接收到如此微弱的訊號,成為計畫成敗的最大風險,但如果錯失這次機會,就得再等170年。

所幸經由科學家們的努力,在80年代初期發明了HEMT,大大地增加了低雜訊放大器的靈敏度。也因此在1989年8月航海家二號最靠近海王星的時候,所傳回來的訊號能被地面接收站所清楚地收到。航海家二號經歷了漫長40年的飛行,已於2018年11月離開了太陽系,繼續飛向浩瀚無垠的宇宙,雖然我們再也收不到它的訊號,但無疑的這是人類在星球探險中最為成功的計畫。

HEMT是如何做到的?此元件最大的優勢是電子在半導體內受到電場加速,運動速度會比電子在其他元件更快,其主要的是克服了一項天生速度上的限制。半導體的諸多技術中,一項很重要的技術是雜質摻雜,就是利用五族的元素加入四族的矽半導體內,如此可產生一個由人為方式所產出的自由電子,但在這個過程中同時也產出了一個帶正電的離子。所以電子在半導體內運動,除了受到因溫度而產生晶格振動的干擾,也會受到此正離子的電荷干擾,而使得運動速度變慢。

在極低溫的操作下,可以免除晶格振動的干擾,但是正離子電荷的干擾是免除不去的。1978年貝爾實驗室的科學家首先提出基本概念,利用異質結構化合物半導體的磊晶技術,以及電子在不同材料中的電子位能差異,成功地將電子引導至鄰近無正離子影響的通道上運動,也就是從一個原本坑坑凹凹的馬路,轉移到平坦的大道上運動,速度自然增快好幾倍。正離子干擾的因素變小再加上在極低溫操作,自然可以接收到外太空微弱的訊號。

真正可操作的HEMT元件,在1980年幾乎是同一時期,被日本的富士通,美國的伊利諾大學及法國的湯姆遜公司所發明。富士通命名為HEMT,伊利諾大學則稱為MODFET (modulation-doped field effect transistor),而湯姆遜則取名為TEGFET (two-dimensional electron gas field effect transistor)。所以那時參加國際會議,只要看是用哪一個名字,就知道是哪一個地區所發表的論文。不論是MODFET或TEGFET都艱澀難懂,HEMT相對淺顯易懂且好發音,所以最後逐漸就統一使用HEMT。因此發明固然重要,取名也不可小覷。

個人在三十年前當研究生時候,就開始了HEMT的研究。HEMT除了電子在平坦的道路上高速運動外,其本身又被侷限在一個二維的量子井內。我們在學量子力學時都會解薛丁格方程式應用在二維量子井上,而產生出能量量子化的現象。當我在量測自己所製作出來的HEMT元件,親眼看到了這量子現象,內心是非常激動,因為不僅是在教科書中讀到量子力學,在實作中也目睹了量子力學。愛因斯坦、波爾、薛丁格這幾位量子力學大師,令人點滴在心頭!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。