[논문 리뷰] Characterization of self-heating in cryogenic high electron mobility transistors using Schottky thermometry

Alexander Y. Choi, Iretomiwa Esho외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 24.

Phase-change materials and chalcogenides참고 문헌 51인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 쿨진기 GaAs 고전자이동도 트랜지스터(Hemt)에서 게이트 접합 온도와 열저항을 직접 측정하기 위해 슈트키 열측정법을 사용하여, 포논 복사에 의해 발생하는 소모 전력에 따라 비선형적인 열저항을 규명하였다. 주요 발견은 자기가열로 인해 게이트 온도가 기준 온도보다 수 배 높아지며, 이는 열노이즈에 의한 마이크로파 노이즈 피드백의 실용적 하한선을 암시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 간접적인 노이즈 모델 기반 추정의 한계를 극복하기 위해, 저온 HEMT에서 게이트 접합 온도와 열저항을 직접 측정하는 것.
• 저온 HEMT 증폭기에서 노이즈 온도 플랫폼이 발생하는 원인에 대한 오랫동안 미해결된 불확실성을 해결하는 것.
• 액체 헬륨 온도에서 자기가열, 특히 포논 복사에 의한 열전달이 마이크로파 노이즈 피드백을 제한하는 주요 메커니즘인지 조사하는 것.
• 저노이즈 바이어스 조건에서의 열저항과 온도 상승을 정량화하여, 등온 게이트 작동 가정에 도전하는 것.
• 열관리의 한계에 기반한 HEMT 노이즈 피드백의 실용적 하한선을 설정하는 것.

제안 방법

• 슈트키 다이오드의 포화 전류와 이데아도수의 온도 의존성을 기반으로 접합 온도를 추출하기 위해, DC I-V 및 S-파라미터 측정을 활용한 슈트키 열측정법을 적용하였다.
• 소모 전력을 변화시키고 약 20 K에서 접합 온도의 비선형 증가를 관찰함으로써 열저항을 측정하였다.
• 슈트키 접합의 거동을 모델링하기 위해 온도 의존 매개변수를 포함한 쇼크리의 다이오드 방정식을 적용하였다.
• 비선형 열저항 경향을 포논 복사 지배 열전달의 증거로 해석하기 위해 복사 회로 모델을 사용하였다.
• III-V 이종구조에서 기대되는 열거동과의 비교를 통해 결과를 검증하였다.
• 비교를 위해 저온 (~20 K) 과 실온에서 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온에서 저노이즈 바이어스 조건에서 HEMT 게이트 접합의 실제 온도 상승은 얼마인가?
• RQ2 저온 HEMT에서 열저항은 소모 전력에 따라 어떻게 변화하며, 이러한 행동을 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 액체 헬륨 온도에서 게이트 영역에서 포논 복사가 주요 열방출 메커니즘인가?
• RQ4 게이트의 자기가열이 마이크로파 노이즈 피드백에 얼마나 기여하는가, 그리고 실용적 하한선을 설정하는가?
• RQ5 게이트 온도는 기준 온도와 비교해 얼마나 다를까, 등온 가정에서 크게 벗어나나?

주요 결과

• 약 20 K에서 열저항은 소모 전력에 따라 비선형적으로 증가하며, 이는 열전달이 포논 복사에 의해 지배됨을 시사한다.
• 저노이즈 바이어스 조건에서 게이트 접합 온도가 기준 온도보다 크게 상승하여, 드레인 온도와 유사한 수준에 도달한다.
• 자기가열로 인해 게이트의 열노이즈가 이전에 상정된 것보다 수 배 높게 추정되며, 이는 등온 게이트 작동 가정에 도전한다.
• 관측된 비선형 열저항 경향은 저온에서 포논 복사가 주요 열방출 메커니즘임을 정량적으로 일치시킨다.
• 열관리 개선이 이루어지지 않는 한, 자기가열은 저온 HEMT의 마이크로파 노이즈 피드백에 실용적 하한선을 부여한다.
• 본 연구는 자기가열이 단지 게이트 누설이나 쇼트 노이즈 이상의 기여를 한다는 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 저온 HEMT 증폭기에서 노이즈 온도 플랫폼을 형성하는 원인임을 규명한다.