Investigation of drain noise in high electron mobility transistors through on-wafer characterization and modelling

Abstract

Noise in high electron mobility transistors (HEMTs) is generated by smallcurrent and voltage fluctuations, attributed to the discrete nature of electricalcharge. These fluctuations determine the lower limit of the magnitudeof the electrical signal that can be amplified by a HEMT without significantloss in the signal quality. Understanding and mitigating these fluctuations istherefore important; especially for fields such as radio astronomy and quantumcomputing, where HEMT based integrated circuits are constantly usedto detect weak noise signals of similar magnitude and statistics as that introduceby the HEMTs themselves.The noise in HEMTs, at microwave and millimeter wave frequencies isstudied as thermal or Johnson-Nyquist noise and in the presence of leakagecurrents as shot noise as well. These two noise sources are used in conjunctionto a small signal model(SSM) to characterize and model the noise in termsof device resistances and their equivalent physical temperatures(Tph). Inthe late 1980s, Marian Pospieszalski introduced a noise model based on twouncorrelated thermal noise sources attributed to the gate resistance (Rg) anddrain-source conductance(gds) of the HEMT. The Rg produces thermal noisethat can be explained by its Tph; the gds, however, produces noise that issignificantly larger than what would be expected for thermal noise sourceat Tph. A temperature, commonly referred to as drain temperature (Td) isassigned to gds to explain this discrepancy, is one or two orders of magnitudelarger than Tph and is treated as a fitting parameter. Because Td ≫ Tph, thenoise produced by gds is the limiting factor for the lowest achievable noisein HEMTs, at microwave and millimeter wave frequencies. Understandingthe physical mechanism behind Td and then engineering HEMTs so thatTd → Tph is central to the advancement of radio-astronomy.In this work we develop a microwave noise and S-parameter measurementsystem, based on a cryogenic probe station. First, we use this set-up toperform on-wafer characterization of S-parameters and microwave noise (T50)of discrete GaAs and GaN high electron mobility transistors (HEMTs) overa range of drain-source voltages (VDS) and physical temperatures (Tph) from40 K to 300 K. Next, we develop SSM based on the data; to model the Sparametercharacteristics of the HEMTs at each VDS and Tph, then we assignthermal noise source to the resistive elements of the SSM to create a noisemodel; Finally, we extract Td by fitting the noise model to the measured T50at each VDS and Tph.The results of our investigation show that Td follows a super-linear and asub-linear trend with VDS for GaAs and GaN HEMTs, respectively; while thedependence of Td on Tph is super-linear for both devices. In order to explainthese data we developed a physical model for the drain noise, where Td arisesdue to a thermal component associated with the channel resistance and acomponent due to real-space transfer (RST) of electrons from the channel tothe barrier. Based on this model we find that Td is dominated by electronphysical temperatures Te at Tph below 100 K, while at 300 K the RST canaccount for over 60% of the total Td. Our model, indicates that Td canbe reduced by improving the confinement of electrons in the quantum welland therefore decreasing the contribution of RST. Based on this finding; weexpect to lower the noise temperature of room-temperature receivers by upto ∼ 50% for the GaAs devices and up to ∼ 40% for the GaN HEMTs.

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.