E-pHEMT（增強模式高電子遷移率電晶體）是一種專為使用單一正電壓源的無線通訊應用而優化的半導體製程。在零閘偏壓時，或電流汲極Id在邏輯閘信號源電壓（Vgs）等於0 VDC的情況下達到飽和位準（Idss）時，一般的消耗模式pHEMT便會進行傳導。E-pHEMT在零閘偏壓時並不會進行傳導動作，所以當Vgs = 0 V時，Id = 0。因此，它不像消耗模式的元件，必須使用負電壓（用來啟動）來操作。其他的砷化鎵金屬半導體場效電晶體（GaAs MESFET - 也可簡稱為GaAs FET）和高電子遷移率電晶體（HEMT）也使用正電壓來操作，並需要負電壓來啟動。為提供負電壓而使用的額外元件，將會提高系統的成本、佔用寶貴的電路板空間、並且需要額外的設計。

安捷倫E-pHEMT技術的發展過程

安捷倫於1980年代，在當時位於加州Palo Alto的HP實驗室（現為安捷倫實驗室）發展出它的第一個E-pHEMT元件，最初的動機其實是要發展數位信號處理所需的IC。對該項應用來說，個別的電晶體必須很小，並完全配合IC的佈局。一個電晶體平均的邏輯閘周邊為100微米，並強調臨界電壓應一律小於30 mV。以2,000個電晶體的整合層次來看，洩漏電流並不是很重要，這在當時對GaAs來說是一個值得達到的目標。

現在的情況則是相反，掌上型設備的改良式功率放大器IC，使用了含20毫米的總邏輯閘周邊之E-pHEMT輸出驅動器電晶體，使得個別元件的大小增加了100倍。同時，在靜止的狀態下，洩漏電流會下降到低於0.5μA/mm，以延長電池再充電的間隔。

安捷倫自1988年開始製造和銷售pHEMT（假相高電子遷移率電晶體）產品，過去10年來，pHEMT產品佔了安捷倫GaAs製造輸出的絕大比例。在1994年，安捷倫實驗室推出了增強模式的pHEMT技術。到了1997年，有鑑於這項技術的成功，公司決定在Santa Clara的晶圓製造中心成立設計與晶圓製造小組，專門解決E-pHEMT技術的問題。在過去4年來，安捷倫將他們發展外延和晶圓的專長與資源，全部應用到4吋pHEMT晶圓的製造。這一點和其他的公司不太一樣，因為他們考慮在行動手機的功率放大器中使用的電晶體有二、三種選擇，而E-pHEMT只是其中一種而已。

為了達到低成本、大元件尺寸、高統一性、高功率、以及高效率等特性，對於外延晶圓生長法和晶圓製程技術的品質相對會有較高的需求。雖然有好幾家半導體公司聲稱具備了製造E-pHEMT的能力，但他們所生產的元件中只有少數能夠以真正的增強模式來操作，也就是完全不需要使用負電壓。而其他的元件則是具備了RF性能，但洩漏值卻不符合電池壽命所需，反之亦然。

外延晶圓技術

為了降低晶圓製造成本，晶圓的尺寸勢必要加大才行。對安捷倫來說，這表示位於Santa Clara的晶圓廠必須從3吋晶圓升級到4吋，不久之後，位於科羅拉多州Ft. Collins的新廠則會升級到6吋。多重4吋晶圓生長所需的分子束外延（MBE）反應器，才進入例行生產3年半而已。由於E-pHEMT的臨界靈敏度取決於一些外延生長參數，所以必須迅速發展出原位監測及後生長晶圓的特性分析方法。它的學習曲線將會很陡峭，而且因為設備的升級非常快速，所以移轉到下一代機器的時間很短。6吋MBE晶圓生長用的設備才剛剛上線。

就晶圓的特性分析而言，儀器廠商從去年才開始推出匣對匣（cassette-to-casette）的GaAs晶圓特性分析儀器，例如PL（冷光）和X光線。III-V半導體晶圓所需的可靠、準確、自動化之外延晶圓分析軟體，也是最近才問市。在這樣的背景之下，雖然有些製造商宣稱已經開始在生產E-pHEMT，但大量製造外延晶圓的知識基礎還是很新。

我們在晶圓層的厚度與合成之控制，以及外延製造技術方面，都有明顯的改進。E-pHEMT通常比HBT更需要對外延的某些部份進行高度的控制，因為它必須使用多個薄層，才能達到高電流與低洩漏的性能。

晶圓製程

對臨界電流Imax和洩漏電流的良好控制，有賴於Schottky邏輯閘接點的製程控制。由於E-pHEMT是一個表面頻道元件，所以表面特性非常重要 - 尤其是因為III-V材料並沒有氧化物可提供保護。任何的表面殘餘，都會改變電晶體的臨界值和洩漏。舉例來說，過度地用水清洗很容易侵蝕表面層，而導致較低的Imax和臨界電壓。在進行蝕刻時等離子的撞擊，會降低頻道的電流並增加洩漏。

對小型的數位電晶體來說，只要對其他的元件參數加以取捨，就能達到統一的臨界值。不過，對行動電話的PA電晶體而言，在指定的臨界電壓範圍內同時達到較低的洩漏和較高的Imax是有必要的。這時III-V晶圓的蝕刻、清洗和保護、以及邏輯閘電極的形成順序，會構成一個專屬的製程，安捷倫認為這將是E-pHEMT技術成功的關鍵。

GaAs IC製造設備及標準的製造方法才剛開始出現。以前GaAs的市場太小，不值得設備廠商花太多的心力從事開發。因此，每一家GaAs IC製造商的特殊製程設備中，都有他們自己的專屬製程模組。由於每一家製造商的設備組合都不一樣，因此如果沒有一套共同的量測標準來校準不同廠牌的設備，想要複製製程並不容易。

元件與電路的交互作用

矽IC在性能與密度方面的進步十分快速，主要歸功於元件/電路的模型製作與模擬軟體。但GaAs IC的發展情形卻大異其趣。功率pHEMT深受個別元件的結構與寄生等效電路的影響。此外，功率放大器還需要較大的操作動態範圍。建立小信號模型，對於低雜訊的GaAs放大器設計有一定的幫助 - 雖然功率放大器需要較大信號的模型來進行模擬，但通常不是缺乏，就是不足夠，即使是矽功率元件也一樣。

缺乏有效的元件模型與電路模擬，許多E-pHEMT模型參數就只能從反覆操作的實際經驗中獲得了。因此，元件及其電路會發展出共生的關係，彼此透過一些設計週期饋送必要的資訊給對方。即使到了最後，還是可以進行一些微幅的調整，以改善整體效能。

結語

III-V E-pHEMT功率放大器的開發過程，可以比喻為一場競賽，所有的參賽者只能根據指定的經緯度，在最短的時間內抵達世上人煙罕至的一個地方。雖然指定了目的地，但每位參賽者的起點都不一樣，使用的交通工具也沒有限制。能否順利抵達目的地，將取決於起點、選擇的路線、沿途所獲得的資訊、以及可利用的機會和運氣。

《圖一　E-pHEMT 展示電路板》