HEMT元件物语

HEMT (high electron mobility transistor)，中文译为「高电子移导率晶体管」，在人类的科技史上是一个很重要的发明。电子在半导体内跑得越快，就有机会让元件操作在更高的速度及频率响应。举凡目前5G无线通讯系统功率及低杂讯放大器，或是电动车内作为高功率电源转换，都需要用到此HEMT元件。如果5G通讯开始使用到毫米波，更是非HEMT莫属。而HEMT从发明到应用，其中有几件有趣且有意义的事，值得跟各位分享。

先谈一件人类在星球探险上很重大的成就，在1940年代天文物理学家就计算出在80年代，太阳系的行星会排成一列类抛物线的运动轨迹，因此如果发射一枚人造卫星，就可以利用行星引力所产生的动力，将人造卫星送到太阳系外；否则光靠人造卫星的动力是到不了这麽远的天际。所以美国太空总署在1977年先后发射了航海家一号及二号人造卫星，希望利用尤其是木星的引力，将人造卫星送到天王星甚至海王星，做近距离的观测。

但是人造卫星能达到这麽远的天际，其所传回来的微弱信号，必须要能被地面上的卫星接收站所接收，而这其中最大的关键在于接收端的微波低杂讯放大器(LNA)。当时低杂讯放大器的技术，并没有十足把握能接收到如此微弱的信号，成为计划成败的最大风险，但如果错失这次机会，就得再等170年。

所幸经由科学家们的努力，在80年代初期发明了HEMT，大大地增加了低杂讯放大器的灵敏度。也因此在1989年8月航海家二号最靠近海王星的时候，所传回来的信号能被地面接收站所清楚地收到。航海家二号经历了漫长40年的飞行，已于2018年11月离开了太阳系，继续飞向浩瀚无垠的宇宙，虽然我们再也收不到它的信号，但无疑的这是人类在星球探险中最为成功的计划。

HEMT是如何做到的？此元件最大的优势是电子在半导体内受到电场加速，运动速度会比电子在其他元件更快，其主要的是克服了一项天生速度上的限制。半导体的诸多技术中，一项很重要的技术是杂质掺杂，就是利用五族的元素加入四族的矽半导体内，如此可产生一个由人为方式所产出的自由电子，但在这个过程中同时也产出了一个带正电的离子。所以电子在半导体内运动，除了受到因温度而产生晶格振动的干扰，也会受到此正离子的电荷干扰，而使得运动速度变慢。

在极低温的操作下，可以免除晶格振动的干扰，但是正离子电荷的干扰是免除不去的。1978年贝尔实验室的科学家首先提出基本概念，利用异质结构化合物半导体的磊晶技术，以及电子在不同材料中的电子位能差异，成功地将电子引导至邻近无正离子影响的通道上运动，也就是从一个原本坑坑凹凹的马路，转移到平坦的大道上运动，速度自然增快好几倍。正离子干扰的因素变小再加上在极低温操作，自然可以接收到外太空微弱的信号。

真正可操作的HEMT元件，在1980年几乎是同一时期，被日本的富士通，美国的伊利诺伊大学及法国的汤姆逊公司所发明。富士通命名为HEMT，伊利诺伊大学则称为MODFET (modulation-doped field effect transistor)，而汤姆逊则取名为TEGFET (two-dimensional electron gas field effect transistor)。所以那时参加国际会议，只要看是用哪一个名字，就知道是哪一个地区所发表的论文。不论是MODFET或TEGFET都艰涩难懂，HEMT相对浅显易懂且好发音，所以最后逐渐就统一使用HEMT。因此发明固然重要，取名也不可小觑。

个人在三十年前当研究生时候，就开始了HEMT的研究。HEMT除了电子在平坦的道路上高速运动外，其本身又被局限在一个二维的量子井内。我们在学量子力学时都会解薛丁格方程序应用在二维量子井上，而产生出能量量子化的现象。当我在量测自己所制作出来的HEMT元件，亲眼看到了这量子现象，内心是非常激动，因为不仅是在教科书中读到量子力学，在实作中也目睹了量子力学。爱因斯坦、波尔、薛丁格这几位量子力学大师，令人点滴在心头！