Superconducting gates for InP HEMTs

Autor: Alveteg, Sebastian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: The thesis examines the prospects of using the superconductor NbN as the gatemetal for an InP HEMT. A HEMT or High Electron Mobility Transistor is aheterostructure transistor engineered to reach very high electron mobility. InPHEMTs are used as cryogenic Low Noise Amplifiers (LNAs), which have increasedin demand as quantum computing is scaling up. A superconducting NbN gate isof interest as it has the potential to decrease the amount of noise generated by theHEMT LNAs.A gate width dependence for both the transconductance (gm) and the large-signal HEMT channel resistance (RON ) of the NbN HEMTs at room temperaturehas been observed, and the first goal pf the thesis is to determine the originof the dependence. Moreover, the measured RF characteristics of the NbNdevices tend to deviate from the norm of a standard HEMT, and the secondgoal is to understand why. The third goal is to determine if the NbN gate stayssuperconducting at cryogenic temperatures or if self-heating from the channelduring DC operations will break superconductivity.In the thesis, it was possible to recreate the observed gate width dependence withnew devices, and additionally, a gate width dependence in the threshold voltageis observed. The origin of width dependence is most likely related to the straincreated by the NbN gate. At DC, extremely high peaks in the transconductanceare observed, which is most likely related to impact ionization and a subsequentincrease in hole trapping caused by the introduction of the NbN gate.Using simulations, it was possible to accurately recreate the observed deviantbehaviour, likely associated with the NbN gate’s high capacitance, inductance andresistance at room temperature. The high capacitance is likely partly related tosome NbN gates of the HEMTs being broken. Finally, the HEMT can operatein DC at 2 K with VG = 0.3 V and a maximum VD = 0.1 V before self-heatingfrom the channel will break the NbN superconductivity of the gate. This is oneof the critical conclusions of the work because it shows that a superconductinggate electrode can be implemented and functional in a high-performance HEMTdevice structure and under realistic operating bias conditions. As long as it can bedemonstrated that the superconductivity does not break when operating in RF, aNbN gate is a promising avenue to increase the noise performance of the cryogenicHEMT.
Detta arbete utforskar möjligheterna att använda supraledaren NbN som metallför gaten av en InP HEMT. En HEMT eller High Electron Mobility Transistor är entyp av transistor som är designad för väldigt hög elektron mobilitet. InP HEMTsanvänds som lågbrusförstärkare eller på engelska Low Noise Amplifiers (LNAs),vilket har ökat i efterfrågan när kvantdatorer nu skalar upp. En supraledande gateär av intresse för att den har potentialen att minska mängden brus som skapas ien HEMT LNA.Ett gatebredd beroende för både transkonduktans och RON har observerats och ettmål i arbetet är försöka fastställa dess ursprung. Utöver detta tenderar beteendet,av HEMTs med en NbN gate, att avvika från normen av en standard HEMT närden drivs i RF, och det andra målet är att förstå varför. Det tredje målet äratt fastställa om en NbN gate kommer supraleda i kryogen temperatur eller omsjälvuppvärmning från kanalen i HEMTen kommer bryta supraledningen.I arbetet var det möjligt att återskapa beroendet av gatebredden för nyaHEMTs och ett gatebredd beroende för HEMTens tröskelström observeradesockså. Gatebredd beroendet kommer troligtvis från spänning i HEMTen skapatav introduktionen av NbN gaten. I DC observerades väldigt höga toppar itranskonduktansen, vilket troligt är relaterat till processen ”impact ionization”och en efterföljande ökning i infångningen av hål som skapats på grund av NbNgaten.Genom simulationer är det möjligt att återskapa det observerade avvikandebeteendet i RF, vilket troligtvis är relaterat till NbN gatens höga resistans,kapacitans och induktans i rumstemperatur. Den höga kapacitansen är möjligtvisrelaterad till att vissa gates är trasiga. Slutligen fastställer vi att HEMTen kanvara i funktion under DC med T = 2 K, VG = 0.3 V och en max source-drainpotential av VD = 0.1 V, innan självuppvärmning bryter supraledningen. Dettaär den viktigaste slutsatsen i arbetet, eftersom den visar att en supraledandegateelektrod kan implementeras i en högpresterande HEMT och fungera underrimliga driftförhållanden. Så länge det går att visa att supraledningen inte brytsunder RF, är en HEMT med en supraledande NbN gate en lovande väg framåt föratt förbättra brusprestandan för en kryogenisk HEMT.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: