HEMTs cryogéniques à faible puissance dissipée et à bas bruit

Low-noise and low-power cryogenic HEMTs

• Auteur / Autrice : Quan Dong
• Direction : Yong Jin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/04/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yong Jin, Michel Piat, Dominique Yvon, Claude Pigot, Francis Balestra, Daniel Boucher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Piat, Dominique Yvon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Cryoélectronique

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

Transistor à effet de champ

HEMT

Cryoélectronique

Basse température

, bruit 1/f

Bruit blanc

Courant de fuite de grille

Field-Effect Transistor

HEMT

Cryoelectronics

Low temperature

1/f noise

White noise

Gate leakage current

Résumé

Les transistors ayant un faible niveau de bruit à basse fréquence, une faible puissance de dissipation et fonctionnant à basse température (≤ 4.2 K) sont actuellement inexistants alors qu’ils sont très demandés pour la réalisation de préamplificateurs à installer au plus près des détecteurs ou des dispositifs à la température de quelques dizaines de mK, dans le domaine de l’astrophysique, de la physique mésoscopique et de l’électronique spatiale. Une recherche menée depuis de nombreuses années au LPN vise à réaliser une nouvelle génération de HEMTs (High Electron Mobility Transistors) cryogéniques à haute performance pour répondre à ces demandes. Cette thèse, dans le cadre d’une collaboration entre le CNRS/LPN et le CEA/IRFU, a pour but la réalisation de préamplificateurs cryogéniques pour des microcalorimètres à 50 mK.Les travaux de cette thèse consistent en des caractérisations systématiques des paramètres électriques et des bruits des HEMTs (fabriqués au LPN) à basse température. En se basant sur les résultats expérimentaux, l’une des sources de bruit à basse fréquence dans les HEMTs a pu être identifiée, c’est-à-dire la part du courant tunnel séquentiel dans le courant de fuite de grille. Grâce à ce résultat, les hétérostructures ont été optimisées pour minimiser le courant de fuite de grille ainsi que le niveau de bruit à basse fréquence. Au cours de cette thèse, différentes méthodes spécifiques ont été développées pour mesurer de très faibles valeurs de courant de fuite de grille, les capacités du transistor et le bruit 1/f du transistor avec une très haute impédance d’entrée. Deux relations expérimentales ont été observées, l’une sur le bruit 1/f et l’autre sur le bruit blanc dans ces HEMTs à 4.2 K. Des avancées notables ont été réalisées, à titre d’indication, les HEMTs avec une capacité de grille de 92 pF et une consommation de 100 µW peuvent atteindre un niveau de bruit en tension de 6.3 nV/√Hz à 1 Hz, un niveau de bruit blanc de 0.2 nV/√Hz et un niveau de bruit en courant de 50 aA/√Hz à 10 Hz. Enfin, une série de 400 HEMTs, qui répondent pleinement aux spécifications demandées pour la réalisation de préamplificateurs au CEA/IRFU, a été réalisée. Les résultats de cette thèse constitueront une base solide pour une meilleure compréhension du bruit 1/f et du bruit blanc dans les HEMTs cryogéniques afin de les améliorer pour les diverses applications envisagées.

Transistors with low noise level at low frequency, low-power dissipation and operating at low temperature (≤ 4.2 K) are currently non-existent, however, they are widely required for realizing cryogenic preamplifiers which can be installed close to sensors or devices at a temperature of few tens of mK, in astrophysics, mesoscopic physics and space electronics. Research conducted over many years at LPN aims to a new generation of high-performance cryogenic HEMTs (High Electron Mobility Transistors) to meet these needs. This thesis, through the collaboration between the CNRS/LPN and the CEA/IRFU, aims for the realization of cryogenic preamplifiers for microcalorimeters at 50 mK.The work of this thesis consists of systematic characterizations of electrical and noise parameters of the HEMTs (fabricated at LPN) at low temperatures. Based on the experimental results, one of the low-frequency-noise sources in the HEMTs has been identified, i.e., the sequential tunneling part in the gate leakage current. Thanks to this result, heterostructures have been optimized to minimize the gate leakage current and the low frequency noise. During this thesis, specific methods have been developed to measure very low-gate-leakage-current values, transistor’s capacitances and the 1/f noise with a very high input impedance. Two experimental relationships have been observed, one for the 1/f noise and other for the white noise in these HEMTs at 4.2 K. Significant advances have been made, for information, the HEMTs with a gate capacitance of 92 pF and a consumption of 100 µW can reach a noise voltage of 6.3 nV/√ Hz at 1 Hz, a white noise voltage of 0.2 nV/√ Hz, and a noise current of 50 aA/√Hz at 10 Hz. Finally, a series of 400 HEMTs has been realized which fully meet the specifications required for realizing preamplifiers at CEA/IRFU. The results of this thesis will provide a solid base for a better understanding of 1/f noise and white noise in cryogenic HEMTs with the objective to improve them for various considered applications.