Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4165
Danylyuk, Serhiy
Design and development of radiation-resistant and low-noise semiconductor transistors for applications in high frequency communication systems
99 S., 2005
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die fundamentalen Eigenschaften von GaN/AlGaN
HEMT Strukturen untersucht, mit Hinblick auf eine Optimisierung Ihrer Leistung für
Anwendungen in Hochleistungs-Mikrowellenbauteilen. Die studierten Eigenschaften reichten
von der Untersuchung grundlegender Gleichstrom-Transporteigenschaften in 2DElektronengas-
Kanälen bis hin zur Untersuchung des Phasenrauschens eines X-Band HEMT-basierten
Oszillators.
Die Arbeit ist in fünf Teile unterteilt: Im ersten Teil werden die Grundlagen von
Fluktuationsphänomenen in Halbleitern beschrieben zusammen mit einer Diskussion
mehrerer theoretischer Modelle, die zur Beschreibung von Rauschen in HEMT-basierten
Bauteilen geeignet sind.
Im zweiten Teil wird eine Studie von 2DEG Transporteigenschaften bei niedrigen und
moderaten elektrischen Feldern durchgeführt. Für eine adäquate Analyse der Transporteffekte
werden gate-lose TLM Strukturen herangezogen. Die beobachtete Stromsättigung durch eine
TLM-Struktur bestätigt, dass sowohl thermische Überhitzung als auch Effekte heißer
Elektronen den Strom beeinflussen. Um Joule'sche Aufheizungseffekte zu verhindern und nur
die fundamentalen Transporteigenschaften zu messen wurde eine Nanosekunden-
Pulsmesstechnik entwickelt. Durch Anlegen elektrischer Pulse mit 10-30 ns Pulslänge an
AlGaN/GaN Heterostrukturen wurden experimentell Transportphänomene bei niedrigem und
hohem Feld gemessen, einschließlich der Abhängigkeit der Driftgeschwindigkeit vom
angelegten Feld bis hin zu einer Rekord-Feldstärke von 150 kV/cm für GaN-basierte
Heterostrukturen.
Ein starker Nachteil von Hochfrequenz-Bauteilen ist neben Selbstaufheizungseffekten
das Niedrigfrequenzrauschen. Im dritten Teil der Arbeit, wird eine geeignete Methode zur
Charakterisierung von Niedrigfrequenzrauschquellen vorgeschlagen und für nanometergrosse
111-Nitrid Heterostrukturen getestet. Das Temperaturverhalten der Rauscheigenschaften
enthüllt eine charakteristische Übergangsfrequenz von 1/f Rauschen zu einer stärkeren
Rauschquelle. Dieser Prozess mit einer Aktivierungsenergie von 0.4 eV kann auf
Elektronenfallen in der AlGaN Barriere zurückgeführt werden.
Im vierten Teil dieser Arbeit werden Transport- und Rauscheigenschaften von
AlGaN/GaN basierten HEMTs mit Gatelängen von 150 nm bis 350 nm vor und nach
Bestrahlung mit Gammastrahlung einer Dosierung bis zu 1x109 Rad bestimmt. Die
beobachteten Veränderungen in den Charakteristika der gemessenen HEMTs wurden mittels
der Entstehung zusätzlicher Defekte durch die Gamma-Bestrahlung interpretiert. Im
allgemeinen bestätigen die Resultate, dass aufgrund ihrer hohen Strahlungsbeständigkeit
GaN-basierte HEMTs gute Aussichten in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit für
Bauteile, die in strahlungsbelasteter Umgebung und speziell für Raumfluganwendungen
gedacht sind.
Im letzten Teil der Arbeit wurde die Erfahrung, die während der Untersuchung der
Transport- und Rauscheigenschaften der Transistoren gemacht wurde genutzt, um die
Parameter eines integrierten Oszillatorschaltkreises zu optimieren. Dabei wurde ein GaN
MMIC Oszillator mit niedrigem Phasenrauschen präsentiert, in Verbindung mit der Studie des
Niederfrequenzrauschens. Der Oszillator liefert eine Ausgangsleistung von 28 dBm mit einer
DC-zu-RF Konversionseffizienz von 16%. Das gemessene Phasenrauschen betrug
-105 dBc/Hz bei einer Offsetfrequenz von 100 kHz neben einem Träger bei 9.35 GHz, was
die Rauschwerte von MMIC Oszillatoren auf GaAs-HEMT Basis übertrifft.
Schliesslich werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick für
zukünftige Arbeit mit Hinblick auf die Entwicklung und das Design strahlungsbeständiger
rauscharmer Halbleiterkomponenten für Anwendungen in Hochfrequenz-
Kommunikationssystemen wird gegeben.
In the frame ofthis work, the fundamental properties of GaN/AlGaN HEMT structures
have been investigated in order to optimize their performance in high power microwave
devices. A number of properties have been studied, starting from DC transport properties in
bare 2DEG channels up to investigation of phase noise of a X-band HEMT-based oscillator.
This work is separated into five parts. In the first part, basics of fluctuation phenomena
in semiconductors are described along with a discussion of theoretical models, which are most
applicable in case of investigation of noise in HEMT devices.
In the second part, a study of 2DEG transport at low and moderate electric fields is
performed. The gateless TLM structures have been suggested for adequate analysis of the
transport effects. The observed current saturation through a TLM structure confirms that both
thermal overheating and hot electron effects are influencing the current. A theoretical model
has been developed for the separate investigation of both relevant effects. In order to remove
Joule heating effects and to investigate only the fundamental transport properties, a
nanosecond pulse measurement technique was developed. By applying 10-30 ns electrical
pulses to AlGaN/GaN gateless heterostructures, we experimentally measured low field and
high field transport phenomena, including the drift velocity dependence on the applied electric
field up to the record height of 150 kV/cm for GaN-based heterostructures.
Besides the self-heating, another strong limitation of high frequency devices is lowfrequency
noise. In the third part, an adequate method for the low-frequency noise sources
characterisation from different device regions is proposed and tested for nanoscale Group-III
nitride heterostructures. The temperature dependence of the noise revealed a characteristic
transition frequency from the 1/f dependence to a stronger one. The process has activation
energy of 0.4 eV, which can be related to traps in the AlGaN barrier.
In the forth part of this work, transport and noise properties of AlGaN/GaN based
HEMTs with gate length from 150 nm to 350 nm have been studied before and after gamma
irradiation up to 1x109 Rad doses. The observed changes in the measured HEMTs
characteristics were interpreted in terms of additional defects produced by gamma radiation.
The noise spectra demonstrate the increasing role of leakage current after high gamma
irradiation dose. In general, the results confirm, that due to their high radiation hardness,
GaN-based HEMTs have good prospects for stability and reliability of devices intended for
application in radiation environment, particularly for space applications.
In the final part of this work, the experience, gained during the investigation of
transport and noise properties of the transistors, was used to optimize the parameters of the
integrated circuit oscillator. As a result, a low phase noise GaN MMIC oscillator has been
presented, in conjunction with the study of the low frequency noise. The oscillator has
demonstrated remarkably good performance with low phase noise and high output power. The
oscillator delivers an output power of 28 dBm with DC-to-RF efficiency of 16%. The
measured phase noise was -105 dBc/Hz at a 100 kHz offset from 9.35 GHz carrier with only
15 MHz/V up conversion factor, which is better then the noise measured for MMIC
oscillators built on GaAs HEMTs.
In conclusion, the most important results were summarized, and a perspective for further
work towards the development and design of radiation-resistant and low-noise semiconductor
components for applications in high frequency communication systems were given.
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