[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究采用肖特基热电测量法直接测量低温下GaAs高电子迁移率晶体管（HEMT）的栅极结温与热阻，揭示了由于声子辐射导致的耗散功率与热阻之间的非线性关系。关键发现是自加热使栅极温度显著升高——比基底温度高出数倍，表明由于栅极热噪声导致的微波噪声系数存在实际下限。

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.

研究动机与目标

• 直接测量低温HEMT的栅极结温与热阻，克服基于噪声模型的间接估算方法的局限性。
• 解决长期存在的关于低温HEMT放大器噪声温度平台成因的不确定性。
• 研究自加热（特别是通过声子辐射）是否是液氦温度下微波噪声系数受限的主要机制。
• 在低噪声偏置条件下量化栅极区域的热阻与温升，挑战栅极等温工作的假设。
• 基于热管理限制，建立HEMT噪声系数的实际下限。

提出的方法

• 采用直流I-V与S参数测量结合肖特基热电测量法，通过肖特基二极管饱和电流与理想因子的温度依赖性提取结温。
• 通过改变耗散功率并观察约20 K时结温的非线性上升，测量热阻。
• 应用考虑温度依赖参数的肖克利二极管方程，模拟偏置下肖特基结的行为。
• 采用辐射电路模型，将非线性热阻趋势解释为声子辐射主导热传输的证据。
• 通过对比III-V异质结构中预期的热行为，验证结果的可靠性。
• 在低温（约20 K）和室温下进行测量以作对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，HEMT栅极结在低噪声偏置下的实际温升是多少？
• RQ2 低温HEMT的热阻如何随耗散功率变化？其物理机制是什么？
• RQ3 在液氦温度下，声子辐射是否是栅区主要的热耗散机制？
• RQ4 栅极自加热在多大程度上导致微波噪声系数升高？是否构成实际下限？
• RQ5 栅极温度与基底温度相比如何？是否显著偏离等温假设？

主要发现

• 在约20 K时，热阻随耗散功率非线性增加，表明热传输主要由声子辐射主导。
• 栅极结温在低噪声偏置下显著高于基底温度，达到与漏极温度相当的水平。
• 由于自加热，栅极热噪声被估算为先前假设的数倍，挑战了栅极等温工作的标准假设。
• 观察到的非线性热阻趋势与声子辐射作为低温下主导热耗散机制的理论预测定量一致。
• 若不改进热管理，自加热将对低温HEMT的微波噪声系数构成实际下限。
• 本研究提供了直接实验证据，表明自加热（而不仅仅是栅极漏电流或散粒噪声）是低温HEMT放大器噪声温度平台形成的关键因素。