[論文レビュー] Characterization of self-heating in cryogenic high electron mobility transistors using Schottky thermometry

Alexander Y. Choi, Iretomiwa Esho+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 51被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、低温ガリウムヒ素ハイエレクトロンモビリティトランジスタ（HEMT）におけるゲートジャンクション温度および熱抵抗を、シュットキー熱電計測定法を用いて直接測定した。その結果、フォノン放射に起因する熱抵抗の非線形性が、消費電力に依存して顕在することが判明した。主な発見は、自己加熱によってゲート温度が顕著に上昇し、ベース温度よりも数倍高い値に達することであり、これは熱雑音に起因するマイクロ波ノイズ指数の実用的下限を示唆している。

ABSTRACT

Cryogenic low noise amplifiers based on high electron mobility transistors (HEMTs) are widely used in applications such as radio astronomy, deep space communications, and quantum computing, and the physical mechanisms governing the microwave noise figure are therefore of practical interest. In particular, the contribution of thermal noise from the gate at cryogenic temperatures remains unclear owing to a lack of experimental measurements of thermal resistance under these conditions. Here, we report measurements of gate junction temperature and thermal resistance in a HEMT at cryogenic and room temperatures using a Schottky thermometry method. At temperatures $\sim 20$ K, we observe a nonlinear trend of thermal resistance versus power that is consistent with heat dissipation by phonon radiation. Based on this finding, we consider heat transport by phonon radiation at the low-noise bias and liquid helium temperatures and estimate that the thermal noise from the gate is several times larger than previously assumed owing to self-heating. We conclude that without improvements in thermal management, self-heating results in a practical lower limit for microwave noise figure of HEMTs at cryogenic temperatures.

研究の動機と目的

• 間接的なノイズモデルに基づく推定の限界を克服し、低温HEMTにおけるゲートジャンクション温度および熱抵抗を直接測定すること。
• 低温HEMTアンプにおけるノイズ温度プラトーの原因について長年の不確実性を解消すること。
• 液体ヘリウム温度におけるマイクロ波ノイズ指数の制限要因として、特にフォノン放射による自己加熱が支配的メカニズムであるかどうかを調査すること。
• 低ノイズバイアス条件下におけるゲート部の熱抵抗および温度上昇を定量的に評価し、等温ゲート動作の仮定に疑問を呈すること。
• 熱管理の制限に基づいて、HEMTノイズ指数の実用的下限を確立すること。

提案手法

• シュットキー接合の飽和電流および不恰好要因の温度依存性を用いて、直流I-V特性およびSパラメータ測定からジャンクション温度を抽出するシュットキー熱電計測定法を採用した。
• 消費電力を変化させ、20 K付近でのジャンクション温度の非線形上昇を観測することで、熱抵抗を測定した。
• バイアス下でのシュットキー接合挙動をモデル化するため、温度依存パラメータを有するショックリー・ダイオード方程式を適用した。
• 非線形的熱抵抗の傾向をフォノン放射支配の熱伝達の証拠として解釈する放射熱回路モデルを用いた。
• III-V異質エピタクシー構造における期待される熱的挙動と照合することで、結果の妥当性を検証した。
• 比較のため、低温（約20 K）および常温での測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温（約20 K）かつ低ノイズバイアス条件下におけるHEMTゲートジャンクションの実際の温度上昇はどの程度か？
• RQ2 低温HEMTにおける熱抵抗は消費電力にどのように依存するか。その挙動を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 液体ヘリウム温度下で、ゲート領域における熱放出の主なメカニズムがフォノン放射であると仮定できるか？
• RQ4 ゲートからの自己加熱がマイクロ波ノイズ指数に及ぼす影響はどの程度で、それが実用的下限を規定する要因となるか？
• RQ5 ゲート温度はベース温度と比較して著しく異なるか。また、等温仮定からの逸脱は顕著か？

主な発見

• 約20 Kで、消費電力に伴い熱抵抗が非線形に増加し、熱伝達がフォノン放射に支配されていることが示された。
• 低ノイズバイアス下でも、ゲートジャンクション温度がベース温度よりも顕著に上昇し、ドレイン温度と同等の値に達することが確認された。
• 自己加熱に起因するゲートからの熱雑音は、従来の仮定よりも数倍高いと推定され、等温ゲート動作の仮定に疑問が呈された。
• 観測された非線形的熱抵抗の傾向は、低温温度域におけるフォノン放射が主な熱放出メカニズムであることに定量的に整合していた。
• 熱管理の改善がなければ、自己加熱が低温HEMTのマイクロ波ノイズ指数に実用的下限をもたらす。
• 本研究は、自己加熱がゲートリークやショットノイズ以上に重要な要因であることを、直接的な実験的証拠として提供した。