Investigation of drain noise in high electron mobility transistors through on-wafer characterization and modelling
Authors: Γκαμπριτσίτζε Μπεκάρι 
Published: July 2022

Ο θόρυβος στα τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (ΗΕΜΤ) πα-ράγεται από μικρές διακυμάνσεις ρεύματος ή τάσης και αποδίδονται στη διακριτήφύση του ηλεκτρικού φορτίου. Οι διακυμάνσεις αυτές καθορίζουν το κατώτεροόριο του ηλεκτρικού σήματος που μπορεί να ενισχυθεί από ένα ΗΕΜΤ χωρίςσημαντική απώλεια στην ποιότητα του σήματος. Η κατανόηση και ο μετριασμόςαυτών των διακυμάνσεων είναι ως εκ τούτου σημαντικό· ειδικά στη ραδιο αστρο-νομία και στους κβαντικούς υπολογιστές, όπου τα ολοκληρωμένα κυκλώματα,βασιζμένα σε ΗΕΜΤ χρησιμοποιούνται συνεχώς για την ανίχνευση αδύναμωνσημάτων θορύβου παρόμοιου μεγέθους και στατιστικών χαρακτηριστικών όπωςαυτών σε που εισάγονται από τα ίδια τα ΗΕΜΤ.Ο θόρυβος στα ΗΕΜΤ, κυρίως σε συχνότητες μικροκυμάτων και μιλιμε-τερ κυμάτων μελετάται ως θερμικός ή θόρυβος Johnson - Nyquist και υπόπαρουσία ρευμάτων διαρροής και ώς θόρυβος shot. Αυτές οι δύο πηγές θο-ρύβου σε συνδυασμό με μικρό μοντέλο σημάτων (SSM) χρησιμοποιούνται γιατον χαρακτηρισμό και τη μοντελοποίηση του θορύβου. Η μοντελοποιήση πραγ-ματοποιέιται με τη χρήση αντιστάσεων της συσκευής και των αντίστοιχών θερ-μοκρασιών περιβάλλοντος (Tph). Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, ο MarianPospieszalski εισήγαγε ένα μοντέλο θορύβου βασισμένο σε δύο μη συσχετι-σμένες πηγές θερμικού θορύβου που αποδίδονται στην αντίσταση πύλης (Rg)και στην αντίσταση(Rds) του αγώγιμου καναλιού του ΗΕΜΤ. Το Rg παράγειθερμικό θόρυβο που μπορέι να εξηγηθεί αν η φυσική θερμοκρασία του είναι Tph.Η αντίσταση καναλλιού όμως Rds παράγει θόρυβο, σημαντικά μεγαλύτερο απόαυτό που θα αναμενόταν για μια θερμική πηγή σε θερμοκρασία περιβάλλοντοςTph. Για να εξηγηθεί αυτός ο θόρυβος, αντί για Tph αποδίδουμε μια υψομένηθερμοκρασία Td στο Rds και λέγεται θερμοκρασία αποστράγγισης. Το Td είναισυνήθως μια ή δυο τάξης μεγέθους μεγαλύτερη από το Tph και αντιμετωπίζεταιώς παράμετρος προσαρμογής. Επειδή Td ≫ Tph, ο θόρυβος που παράγεται απότο Rds είναι ο περιοριστικός παράγοντας για τον χαμηλότερο δυνατό θόρυβοστα ΗΕΜΤς, σε συχνότητες μικροκυμάτων και μιλιμετερ κυμάτων. Επομένως,η κατανόηση του φυσικού μηχανισμού που παράγει το Td και στη συνέχεια οσχεδιασμός ΗΕΜΤ έτσι ώστε το Td → Tph είναι κεντρικό για την πρόοδο τηςραδιο αστρονομίας.Σε αυτή την εργασία αναπτύξαμε ένα σύστημα μέτρησης θορύβου μικροκυ-μάτων και παραμέτρου σκέδασης (S-parameters) και βασίζεται σε έναν κρυογο-νικό σταθμό(cryogenic probe station, CPS). Αρχικά, χρησιμοποιήσαμε το CPSγια να χαρακτηρίσουμε, ον-ωαφερ, τα Σ-παραμετερς και το θορύβου μικροκυ-μάτων (T50) των διακριτών ΗΕΜΤ βασιζμένα σε τεχνολογίες GaAs και GaN.Ο χαρακτηρισμός έγινε υπό συνθήκες πολλάπλών τάσης(VDS) και θερμοκρα-σίων περιβάλλοντος απο 40 Κ έως και 300 Κ. Στη συνέχεια, αναπτύξαμε SSMμε βάση τα δεδομένα αυτά, έτσι ώστε να μοντελοποιήσουμε τα Σ-παραμετερςσε κάθε VDS και Tph. ΄Επειτα, για να δημιουργήσουμε το αντίστοιχο μοντέλοθορύβου αναθέσαμε το Tph στις αντιστάσεις του SSM. Τέλος, εξάγουμε το Tdπροσαρμόζοντας το μοντέλο θορύβου στο μετρημένο T50 σε κάθε VDS και Tph.Τα αποτελέσματα της έρευνάς μας δείχνουν ότι το Td ακολουθεί μία υπερ-γραμμική και υπο-γραμμική κλίση με το VDS για τα ΗΕΜΤ τεχνολογίας GaAsκαι GaN, αντίστοιχα. Η εξάρτηση του Td από το Tph είναι υπερ-γραμμική καιγια τις δύο τεχνολογίες GaAs και GaN των ΗΕΜΤ. Για να εξηγήσουμε ταδεδομένα αυτά αναπτύξαμε ένα φυσικό μοντέλο για τη θερμοκρασία αποστράγ-γισης, όπου το Td προκύπτει λόγω ενός θερμικού παράγοντα που σχετίζεται μετην αντίσταση του καναλιού και επιπλέον λόγω μεταφοράς(RST) των ηλεκτρο-νίων απο το αγώγιμο κανάλι στο διπλανό επίστρωμα (το βαρριερ λαψερ). Μεβάση το μοντέλο αυτό διαπιστώνουμε ότι το Td κυριαρχείται από το φυσικέςθερμοκρασίες ηλεκτρόνιων για Tph κάτω από 100 Κ, ενώ στους 300 Κ το RSTμπορεί αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού Td. Το μοντέλο μαςδείχνει ότι το Td μπορεί να μειωθεί βελτιώνοντας τον περιορισμό των ηλεκτρο-νίων στο κβαντικό πηγάδι και συνεπώς μειώνοντας τη συνεισφορά του RST.Με βάση αυτή την ανακάλυψη, η θερμοκρασία θορύβου των ΗΕΜΤ αναμένεταινα μειωθεί κατα ∼ 50% για τις συσκευές GaAs και έως ∼ 40% για τα GaNΗΕΜΤ οταν αυτά λειτουργούν στα 300 Κ.