Έρευνα θερμικού θορύβου στα τρανζίστορ υψιλής κινητικότητας ηλεκτρονίων ΗΕΜΤ χαρακτηρισμού σε πλακίδια ημιαγωγών και μοντελοποίησης

Abstract

Ο θόρυβος στα τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (ΗΕΜΤ) παράγεται από μικρές διακυμάνσεις ρεύματος ή τάσης και αποδίδονται στη διακριτή φύση του ηλεκτρικού φορτίου. Οι διακυμάνσεις αυτές καθορίζουν το κατώτερο όριο του ηλεκτρικού σήματος που μπορεί να ενισχυθεί από ένα ΗΕΜΤ χωρίς σημαντική απώλεια στην ποιότητα του σήματος. Η κατανόηση και ο μετριασμός αυτών των διακυμάνσεων είναι ως εκ τούτου σημαντικό· ειδικά στη ράδιο αστρονομία και στους κβαντικούς υπολογιστές, όπου τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, βασισμένα σε ΗΕΜΤ χρησιμοποιούνται συνεχώς για την ανίχνευση αδύναμων σημάτων θορύβου παρόμοιου μεγέθους και στατιστικών χαρακτηριστικών όπως αυτών σε που εισάγονται από τα ίδια τα ΗΕΜΤ. Ο θόρυβος στα ΗΕΜΤ, κυρίως σε συχνότητες μικροκυμάτων και μιλιμετερ κυμάτων μελετάται ως θερμικός ή θόρυβος Johnson - Nyquist και υπό παρουσία ρευμάτων διαρροής και ως θόρυβος shot. Αυτές οι δύο πηγές θορύβου σε συνδυασμό με μικρό μοντέλο σημάτων (SSM) χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό και τη μοντελοποίηση του θορύβου. Η μοντελοποίηση πραγματοποιείται με τη χρήση αντιστάσεων της συσκευής και των αντίστοιχών θερμοκρασιών περιβάλλοντος (Tph). Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, ο Marian Pospieszalski εισήγαγε ένα μοντέλο θορύβου βασισμένο σε δύο μη συσχετισμένες πηγές θερμικού θορύβου που αποδίδονται στην αντίσταση πύλης (Rg) και στην αντίσταση(Rds) του αγώγιμου καναλιού του ΗΕΜΤ. Το Rg παράγει θερμικό θόρυβο που μπορεί να εξηγηθεί αν η φυσική θερμοκρασία του είναι Tph. Η αντίσταση καναλιού όμως Rds παράγει θόρυβο, σημαντικά μεγαλύτερο από αυτό που θα αναμενόταν για μια θερμική πηγή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Tph. Για να εξηγηθεί αυτός ο θόρυβος, αντί για Tph αποδίδουμε μια υψωμένη θερμοκρασία Td στο Rds και λέγεται θερμοκρασία αποστράγγισης. Το Td είναι συνήθως μια ή δυο τάξης μεγέθους μεγαλύτερη από το Tph και αντιμετωπίζεται ως παράμετρος προσαρμογής. Επειδή Td ≫ Tph, ο θόρυβος που παράγεται από το Rds είναι ο περιοριστικός παράγοντας για τον χαμηλότερο δυνατό θόρυβο στα ΗΕΜΤς, σε συχνότητες μικροκυμάτων και μιλιμετερ κυμάτων. Επομένως, η κατανόηση του φυσικού μηχανισμού που παράγει το Td και στη συνέχεια ο σχεδιασμός ΗΕΜΤ έτσι ώστε το Td → Tph είναι κεντρικό για την πρόοδο της ραδιο αστρονομίας. Σε αυτή την εργασία αναπτύξαμε ένα σύστημα μέτρησης θορύβου μικροκυμάτων και παραμέτρου σκέδασης (S-parameters) και βασίζεται σε έναν κρυογονικό σταθμό(cryogenic probe station, CPS). Αρχικά, χρησιμοποιήσαμε το CPS για να χαρακτηρίσουμε, ον-ωαφερ, τα Σ-παραμετερς και το θορύβου μικροκυμάτων (T50) των διακριτών ΗΕΜΤ βασισμένα σε τεχνολογίες GaAs και GaN. Ο χαρακτηρισμός έγινε υπό συνθήκες πολλαπλών τάσης(VDS) και θερμοκρασιών περιβάλλοντος από 40 Κ έως και 300 Κ. Στη συνέχεια, αναπτύξαμε SSM με βάση τα δεδομένα αυτά, έτσι ώστε να μοντελοποιήσουμε τα Σ-παραμετερς σε κάθε VDS και Tph. Έπειτα, για να δημιουργήσουμε το αντίστοιχο μοντέλο θορύβου αναθέσαμε το Tph στις αντιστάσεις του SSM. Τέλος, εξάγουμε το Td προσαρμόζοντας το μοντέλο θορύβου στο μετρημένο T50 σε κάθε VDS και Tph. Τα αποτελέσματα της έρευνάς μας δείχνουν ότι το Td ακολουθεί μία υπεργραμμική και υπό-γραμμική κλίση με το VDS για τα ΗΕΜΤ τεχνολογίας GaAs και GaN, αντίστοιχα. Η εξάρτηση του Td από το Tph είναι υπέρ-γραμμική και για τις δύο τεχνολογίες GaAs και GaN των ΗΕΜΤ. Για να εξηγήσουμε τα δεδομένα αυτά αναπτύξαμε ένα φυσικό μοντέλο για τη θερμοκρασία αποστράγγισης, όπου το Td προκύπτει λόγω ενός θερμικού παράγοντα που σχετίζεται με την αντίσταση του καναλιού και επιπλέον λόγω μεταφοράς(RST) των ηλεκτρονίων από το αγώγιμο κανάλι στο διπλανό επίστρωμα (το βαρριερ λαψερ). Με βάση το μοντέλο αυτό διαπιστώνουμε ότι το Td κυριαρχείται από το φυσικές θερμοκρασίες ηλεκτρόνιων για Tph κάτω από 100 Κ, ενώ στους 300 Κ το RST μπορεί αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού Td. Το μοντέλο μας δείχνει ότι το Td μπορεί να μειωθεί βελτιώνοντας τον περιορισμό των ηλεκτρονίων στο κβαντικό πηγάδι και συνεπώς μειώνοντας τη συνεισφορά του RST. Με βάση αυτή την ανακάλυψη, η θερμοκρασία θορύβου των ΗΕΜΤ αναμένεται να μειωθεί κατά ∼ 50% για τις συσκευές GaAs και έως ∼ 40% για τα GaN ΗΕΜΤ όταν αυτά λειτουργούν στα 300 Κ.Noise in high electron mobility transistors (HEMTs) is generated by small current and voltage fluctuations, attributed to the discrete nature of electrical charge. These fluctuations determine the lower limit of the magnitude of the electrical signal that can be amplified by a HEMT without significant loss in the signal quality. Understanding and mitigating these fluctuations is therefore important; especially for fields such as radio astronomy and quantum computing, where HEMT based integrated circuits are constantly used to detect weak noise signals of similar magnitude and statistics as that introduce by the HEMTs themselves. The noise in HEMTs, at microwave and millimeter wave frequencies is studied as thermal or Johnson-Nyquist noise and in the presence of leakage currents as shot noise as well. These two noise sources are used in conjunction to a small signal model(SSM) to characterize and model the noise in terms of device resistances and their equivalent physical temperatures(Tph). In the late 1980s, Marian Pospieszalski introduced a noise model based on two uncorrelated thermal noise sources attributed to the gate resistance (Rg) and drain-source conductance(gds) of the HEMT. The Rg produces thermal noise that can be explained by its Tph; the gds, however, produces noise that is significantly larger than what would be expected for thermal noise source at Tph. A temperature, commonly referred to as drain temperature (Td) is assigned to gds to explain this discrepancy, is one or two orders of magnitude larger than Tph and is treated as a fitting parameter. Because Td ≫ Tph, the noise produced by gds is the limiting factor for the lowest achievable noise in HEMTs, at microwave and millimeter wave frequencies. Understanding the physical mechanism behind Td and then engineering HEMTs so that Td → Tph is central to the advancement of radio-astronomy. In this work we develop a microwave noise and S-parameter measurement system, based on a cryogenic probe station. First, we use this set-up to perform on-wafer characterization of S-parameters and microwave noise (T50) of discrete GaAs and GaN high electron mobility transistors (HEMTs) over a range of drain-source voltages (VDS) and physical temperatures (Tph) from 40 K to 300 K. Next, we develop SSM based on the data; to model the Sparameter characteristics of the HEMTs at each VDS and Tph, then we assign thermal noise source to the resistive elements of the SSM to create a noise model; Finally, we extract Td by fitting the noise model to the measured T50 at each VDS and Tph. The results of our investigation show that Td follows a super-linear and a sub-linear trend with VDS for GaAs and GaN HEMTs, respectively; while the dependence of Td on Tph is super-linear for both devices. In order to explain these data we developed a physical model for the drain noise, where Td arises due to a thermal component associated with the channel resistance and a component due to real-space transfer (RST) of electrons from the channel to the barrier. Based on this model we find that Td is dominated by electron physical temperatures Te at Tph below 100 K, while at 300 K the RST can account for over 60% of the total Td. Our model, indicates that Td can be reduced by improving the confinement of electrons in the quantum well and therefore decreasing the contribution of RST. Based on this finding; we expect to lower the noise temperature of room-temperature receivers by up to ∼ 50% for the GaAs devices and up to ∼ 40% for the GaN HEMTs