Etude experimentale du -bruit de diffusion dans les MISFETS GaAs-AlGaAs

HAL Id: jpa-00248597

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Submitted on 1 Jan 1991

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Etude experimentale du -bruit de diffusion dans les MISFETS GaAs-AlGaAs

J. Gest, H. Kabbaj, G. Meriaux, J. Zimmermann

To cite this version:

J. Gest, H. Kabbaj, G. Meriaux, J. Zimmermann. Etude experimentale du -bruit de diffusion dans les MISFETS GaAs-AlGaAs. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1991, 1 (4), pp.531-537.

�10.1051/jp3:1991137�. �jpa-00248597�

Classificafion

Physics

Abstracts

72.80E 73.40L 72.70

Etude expkrimentale du bruit de diffusion dans Ies MISFETS GaAs-AlGaAs (*, **)

J.

Gest,

H.

Kabbaj,

G. Meriaux et J. Zimmermann

Cqntre Hyperfrkquences

et

Senficonducteurs,

UA CNRS 287, Universitk des Sciences et

Techniques

de

Lille-Flandre-Ariois,

59655

Villeneuve-d'Ascq,

France

(Rem

le 30 avril J990,

acceptd

le 27 aoot

J990)

idsumk.

_{Dans cot article,}

nous ktudions le bruit de diffusion du canal bidimensionnel d'dlectrons dans les

transiitors

_{I effet}

de'champ

_I

hktkrojonction

de type MISFET GaAs- AlGaAs. On mesure en fonction des tensions

grille

et drain les

tempkratures dquivalintes

_{de bruit}

du canal source-drain ainsi que les spectres de bruit _en tension. Des _mesures

ana16gues

rkaliskes

sur des TEGFETS _servent de point de

comparaison.

Id, dans le _cas du MISFET, nous essayons de voir l'existence

possible

de l'effiet de transfert _{en espace} rkel d'klectrons bidimensionnels _sur le bruit de diffusion mesurk. Un effet _{que nous} dkcrivons

pourrait

rksulter de _ce

phknomdne,

mais sa mise en kvidence

expkrimentale

est dillicile.

Abstract. In this paper, we deal with diffusion noise in two-dimensional electron

layers

in

heterojunction

FETS, such _as GaAs-AlGaAs MISFETS. Measurements of

equivalent

noise

temperatures of source to drain channel _are

performed

in function of gate and drain

voltages.

Voltage

noise spectra are also deduced. Similar measurements on TEGFETS _are made in view of

comparison.

In the _case of MISFETS, we look _{at a}

possible

noise _source due to

real-space

transfer of two-dimensional electrons, An observation that _we describe in detail could be the result of this

transfer

phenomenon

but is difficult to carry ^out

experimentaly.

Malgrb

le

dbveloppement

rbcent des transistors I effet de

champ

I

hbtbrojonctions,

it reste un certain nombre de

particularitbs physiques

I blucider _: l'une d'elles _concerne les

propriktks

de

bruit.

Dans cet

article,

nous

reportons

^des mesures de bruit de diffusion d'blectrons dans le

canal conducteur des MISFETS GaAs et TEGFETS off l'on sait _{que ces} blectrons sent

bidimensionnels

(GE2D).

Le

probldme

de la dbtermination

quantitative

des _sources de bruit dans _ce type ^de

composants

en fonction des

polarisations appliqubes

est encore~ouvert. Nous

prbsentons

ici des _mesures de

tempbrature

de bruit

(et

de

spectre

^de

bruit),

^dlbments

qui

entrent dans le calcul du facteur de bruit du transistor

[ii

et comparons les rbsultats obtenus

sur les MISFETS et les TEGFETS. Des btudes de ce genre ant

dbji

btb

entreprises

_{pour ce}

qui (*)

Les MISFETS

qui

ont servis k _cette Etude _nous ont ktk aimablement foumis _par le LEP

(MM.

M.

Wolny

et E.

Delhaye)

_que nous remercions.

(**)

Cette ktude est soutenue en

partie

_par un contrat ESPRIT II BRA 3017.

532 JOURNAL DE

PHYSIQUE

III N 4

concerne les TEGFETS

[2]

_avec des essais de ddtermination du coefficient de diffusion

paralldle

en fonction du

champ blectrique [3, 4].

Dans le MISFET GaAs

[5],

on observe _une rbsistance diffbrentielle

nbgative (RDN~

dans le courant de drain due _au transfert d'blectrons dans

l'espace

rbel du canal GE2D _vers la

grille

_par bmissions

thermoionique

et tunnel

assistbes _par

champ blectrique _[6].

Dans cet

article,

nous

regardons

s'il existerait _{une source} de bruit additionnelle

analogue

I _{une source} de bruit de diffusion file I l'existence du

phbnomdne

de transfert d'blectrons dans

l'espace

rbel.

Technique expkdmentale

de _mesure du bruit.

Nos _mesures ant btd effectubes

principalement

_en bande X. En effet I _ces

frbquences,

_on

pent

espbrer

_ne

plus

voir les _sources de bruit autres que celle de diffusion

(grenaille, I/F,

de contact,

etc...).

Nous

prbsentons

tout d'abord _une mdthode

simple

et

rapide

dbcrite _en

figure I, permettant

la dbtermination de la

tempbrature dquivalente

de

bruit,

et d'en dbduire les spectres en tension S~ ou en courant

$.

Tout

d'abord,

le _mesureur de

puissance

de bruit

(HP 8970A)

est calibrb I _une

frbquence

donnbe _en mettant I la

place

du composant ^{I btudier}

une source de bruit btalon

~HP 3468) d'impbdance

50 Q. Pour _une

frbquence donnbe,

cette

calibration est faite _une fois _pour toute. La _mesure de bruit du composant month en

dip61e (Fig. 2)

revient donc I _{une mesure} par

cornparaison.

Ceci permet de _nous affranchir du bruit

ramenb _par

chaque

blbment de la chaine de _{mesure en} aval du composant. Los _mesures de bruit sent effectubes hors

adaptation [7, 8],

et ii est nbcessaire de

procbder

_en

@eux

_temps.

Dans _un

premier temps,

^{le transistor month} en

dip61e prend

la

place

de la _source btalon. On

rnesure donc directement la

puissance

de bruit

P~

bruise entre le drain et la _source du

transistor _{pour une}

polarisation

^donnke. Dans _un deuxidme

temps,

on mesure le coefficient de rbflexion _p

(F,

_Vd~,

_V~~)

du transistor I

l'analyseur

de rbseaux

(HP 8510A)

_en

agissant

_sur

un comrnutateur. Ceci

fait,

it _{ne nous} reste

plus qu'i exploiter

les _mesures de bruit _{en tenant}

wahhnr wd ~ ii

i>isca @mm&tour

~~'~

,

3PlSI01

~~ ⁱ

---~

^{' '}

~#Z~g~~'

1<LSCW 8

wmwi

c

~

'aflmlw

y,

ao

a~

Fig.

I. Vue

synoptique

du bane de _mesure de bruit.

[Schematic

view of noise measurement

setup.]

19 2

SvX10 _m V /FW

50

" -"

" "'

-"

,"'

'

."'

,","

,"' _"

---' ,'

_,-"

/"

Vgzl.5V Vgzl.6V Vgzl.7V Vgzl.EV

0 D.3 O.6 0.9 1.2 1.5

Vd er~ Volt

Fig. 2. Spectre de bruit _en tension du canal source-drain du MISFET pour quatre valeurs de la

polarisation

de

grille,

mesurk I 12 GHz I

tempkrature

ambiante.

IMISFET

source-drain channel noise

voltage

spectrum at four different gate voltages measured at 12 GHz at ambient

temperature.]

compte

^du coefficient de rbflexion. La

puissance

rbelle

P~

bmise _par le transistor est :

P~(F,

Vd~,

V~) Px(F, _{Vds, Vgs)}

= l

(P

~

On _en dbduit d'une

part

la

tempbrature bquivalente

de bruit T~ du

composant

:

Px(F, vds, vgs)

Tx

Pm(F, vds, vgs)

ⁱ

lpol~

Px(F, 0, vgs)

To

Pm(F, 0, vgs)

^~ i

jp

_j2

et d'autre part ^la densitb

spectrale

_en tension donnbe _par le thbordme de

Nyquist [9]

:

S~(F,

V~~,

V~~)

= 4

k~

_T~

5t~(ZT)

en

V~/Hz

off

k~

est la constante de

Boltzmann,

et

5t~(ZT)

la

partie

rbelle de

l'impbdance prbckdemrnent

mesurbe. Ces formules

supposent

que l'on est

adaptb

I l'entrbe du

mblangeur

de bruit. Le MISFET GaAs btudib ici _a bib

fabriqub

_au LEP

[5]

par une

technique d'autoalignement

utilisant _une

grille

rbfractaire munie

d'espaceurs

de silice _pour

l'implantation

des contacts

ohmiques.

La

longueur

de

grille

est de I ~m ^et la

largeur

de 200 _~m. Ses

caractbristiques statiques

sent donnbes _sur la

figure

3. Afin de mieux

comprendre

certains

phbnomdnes physiques

dans le MISFET du

point

de _vue

bruit,

_{nous avons} fait aussi _une btude

analogue

avec un TEGFET

(L~

=

5 _~m, W

= 150

~m)

_aux fins de

comparaisons.

Rksultats de _mesure et

comparaison

du AIISFET et du TEGFET.

La

figure

2 montre l'bvolution du

spectre

^{-de bruit obtenue} pour ^le

MISFET,

_en ^fonction de V~~,

parambtrbe

_par

V~

et pour une

frkquence

de 12 GHz. De

faqon

trds

qualitative,

_on

534 JOURNAL DE

PHYSIQUE

III N 4

Tl'rD id _err

15

,"

"' -'

' -'

'

~-____-" ^-' iO

,----.- 4

~

-..-Vgzl.5V -.-Vgzl.6V Vgzl.7V O ~vgzl.liV

O 0.3 O.6 O.9 1.2 1.5

Vd err Volt

Fig.

3.

Tempkrature dquivalente

de bruit rdduite du canal source-drain du MISFET pour quatre valeurs de la tension de

grille

I

tempkrature

ambiante

(kchelle

I

gauche). Frdquence

de mesure 12 GHz.

On montre aussi les

caractkristiques statiques

courant-tension

(dchelle

I

droite)

du MISFET _en trait

plein kpais

I

V~

= 1,8 V et en trait mixte

kpais

I 1,5 V.

Frkquence

de _mesure 12 GHz.

[Reduced equivalent

noise temperature ^{of the} source-drain channel of the MISFET at four different gate

voltages

~left

scale)

at ambient temperature. Measurement

frequency

12GHz. The static

I(

V) characteristics _are also shown

(fight scale),

in full thick line at

V~

₌ ^{1.8 V, and in thick dot-dashed}

line _at 1.5 V-J

remarque que ces

courbes,

_pour diffbrentes valeurs de _V~~,

kvoluenj

routes de la mdme

faqon

_: le bruit croft d'abord doucement I faible _V~~

(rbgime ohrnique), puts prksente

_une

augmentation plus

_ou mains

marqube

_pour des

polarisations

de drain

plus

blevbes. Entre _ces deux

rbgimes (avant

la

RDN~,

on constate que ces courbes _se croisent. Ceci

pourrait

dire do

en

premidre approximation,

I la rbsistance

dynamique

du transistor. En

effet,

_en

rbgime ohmique,

en

augmentant

^la tension de

grille

_on diminue la rbsistance

dynamique

8

Vd/&I~,

et on obtient mains de bruit

(la tempbrature

de bruit des blectrons restant

proche

de la

tempbrature

ambiante

(Fig. 3))

_; alors

qu'en prenant

un Vd~ assez

dlevd,

les rbsistances

dynamiques

sent

pratiquement

constantes et deviennent donc

indbpendantes

de

V~

et li

inversement,

_en

augmentant

^{la tension de}

grille,

_{on augmente} le courant de saturation et par la mdme occasion le bruit. Par

consdquent,

_on

pent dbji

dissocier deux

rbgimes

de bruit

concemant le transistor _{: un}

rbgime

faible bruit

correspondant

_au

rdgime ohmique,

et un

rkgime

de saturation off le bruit est

plus important.

Sur la

figure

4 est

reprbsentbe

l'bvolution de la

tempbrature

de bruit du TEGFET _non

plus

_en fonction de la tension

Vj~,

mars du

courant

Id.

Ceci permet en fait de

mieix

_{mettre en} bvidence la corrblation _entre le spectre ^de bruit _et le courant. Si _on fait maintenant _une

comparaison

des deux

transistors,

_{on constate}

que

qualitativement,

_on retrouve les mdmes allures de courbes _: I faible

polarisation,

la

tempdrature

reste h peu

prds

constante et

augmente beaucoup plus rapidement

h

l'approche

de la saturation. En dehors de la _zone I

RDN,

le MISFET semble donc avoir _un

comportement analogue

_au TEGFET du

point

de _vue bruit. A faible

polarisation,

ceci est tbut h fait

comprbhensible

: en effet pour des courants suffisamrnent

foibles,

dons le TEGFET

Vd _err Volt

i i i

)

f

i i

)

₂

k

5

/

,

,',

,"

,'

,' .

2.5 ,,"

o°

~.

°

°° ° ° ° ° °

. Vgza.4V

O 0 ° Vgz-0.4V

O 5 la 15 2a 25

id err nA

Fig.

4.

Tempkrature kquivalente

de bruit rkduite

(carrks

et losanges, dchelle de

gauche)

et

caractkristiques statiques V(I) (kchelle

de droite) du TEGFET dtudik _en

paralldle

_avec le MISFET I la

tempkrature

ambiante.

Frkquence

de _mesure 12 GHz.

[Reduced equivalent

noise temperature

(squares

and diamonds, left

scale)

and static characteristics

V(I) (fight scale)

of the TEGFET studied in

parallel

vith the MISFET at ambient temperature.

Measurement

frequency

12 Ghz.]

la couche d'AlGaAs

dopde

est

compldtement ddplbtbe

et on

n'observe,

_comrne dans le

MISFET,

_que le bruit du gaz bidimensionnel d'blectrons dans la couche de GaAs _non

dopbe.

Pour des courants

plus importants,

les

comportements phjsiques

des deux transistors

deviennent trds diffbrents l'un de

l'autre,

et il s'avdre alors _assez diflicile de

poursuivre

cette

comparaison.

Interprktadon

des rksultats. Effet du transfert _en espace rkel.

Pour le MISFET

(voir Fig. 3), quand

_on

polarise

dans la _zone I rbsistance

nbgative,

le

composant

^{devient instable} et il devient

impossible d'y

effectuer des _mesures de bruit. En

fait,

il semblerait que nous sommes

simplement

_en

prbsence

d'oscillations

spontanbes

dues I la RDN du circuit de drain

[10].

La _zone concernbe est donc laissbe _en blanc _». On peut en

effet constater que ^cette zone « en blanc _»

correspond

trds exactement I la _zone off existe la

RON _{comme on}

peut

^{le voir} sur la

figure

3. Si _on continue I augmenter la tension de drain

juste aprds

cette zone, on remarque une

lbgdre

diminution de la

tempdrature

de bruit. Ceci

pourrait

^{dtre do} en fait _au transfert

spatial

des Electrons _vers la

grille.

En

effiet,

si _on

prend

le

cas off

V~ ^=1,8V,

^I V~~ =

0,6V,

_une certaine

partie

des Electrons du _gaz 2D _a

ddji

transfbrd I travers la barridre. Par

ailleurs,

dtant donna la faible valeur du

potentiel

du canal

dans cette zone, l'effiet d'klectrons chauds induits n'arrive _pas I _compenser cette

Porte

bnergdtique,

et il y a diminution

globale

de la

tempdrature

de bruit. Enfin pour des valeurs de Vd~

plus

dlevdes

(»0,75V),

il y a

rdaugmentation

de la

tempdrature,

et on retrouve I

nouveau le comportement ^TEGFET normal _en

rdgime

de saturation. Ce

comportement peut

donc _se rbsumer _au

phbnomdne

suivant. Si la

polarisation

de

grille

est assez

blevde,

la barridre

536 JOURNAL DE

PHYSIQUE

III N 4

de

potentiel qui

retient les Electrons dans le canal

(hauteur

de

0,3 eV, jypiquement)

est fortement amincie _pour les blectrons les

plus dnergbtiques,

_ce

qui

facilite trds fortement le transfert de _ces blectrons _vers la couche AlGaAs off ils

peuvent

^dtre

captks

_par la

grille.

Ce transfert est d'autant

plus probable qu'il

est assistd _par le

champ dlectrique

existant I la barridre de

potentiel (ce

^transfert

peut

s'effectuer par effet

thermoionique

et effet tunnel pour les Electrons

d'knergies

les

plus dlevbes).

Il _en rdsulte _un

dcrdtage

de la distribution

dnergdtique

des Electrons 2D du

canal, qui

pent I _son tour induire _une diminution

globale

de la

tempdrature bquivalente

de bruit de _ces Electrons. Si la tension V~~ ^est

suffisamrnept blevbe,

l'dchauffement

qu'elle communique

_aux blectrons

pent

^{dtre suffisant} pour surcom-

penser l'effet du transfert et induire _une

tempdrature dquivalente

de bruit

qui

augmente ^de

nouveau. Corrblativement la RDN _a

disparu. Quantitativement,

il est assez diflicile de

comparer le TEGFET _avec le MISFET btant donnb leurs

grandes

diffbrences de structure.

Seule _une

reprbsentation

des rbsultats _en fonction du courant

(voir Fig, 5)

comrne nous

l'avons fait permet une

comparaison

mains

qualitative.

Ceci est do _au fait que la

grille

du MISFET btudid ici est

beaucoup plus

courte que celle du TEGFET

fiusqu'i prdsent

_nous

n'avons pas

disposb

de TEGFETS de I _~m de

grille qui

auraient

perrnis

_une

comparaison plus quantitative).

En

conclusion,

_une btude

expdrimentale

de _mesure de bruit de diffusion _en bandeX rdalisbe _{par un} MISFET GaAs-AlGaAs _{nous a}

permis

d'observer les diffbrents

rbgimes

de bruit suivant les

polarisations

de

grille

et drain

appliqubes.

Pour _une valeur de _V~~ off la RDN de drain

existe,

_en dessous de la tension de seuil V~~ off

appar#t

la

RON,

le MISFET _{a un}

comportement identique

I celui du TEGFET. Trds au-dessus de _cette tension de seuil

(off

le

courant de drain croft de _nouveau fortement ayec

V~J

^le comportement type ^{TEGFET est}

bgalement

notd. Entre

deux,

il existe deux _{zones :} l'une

qui correspond

I

l'apparition

de la

TJ'rD

o

,'

, ,

. ,

, , ,

/ .

o

, o

,'

a

vgml 5V

,

~

/

°

Vgzl.EV

,' I

. Vgza.4V

. . _°

. . ° °

o Vgz-0.4V

lo 15 2° ~

id _en na

Fig.

5.

Comparaison

des

tempdratures kquivalentes

de bruit rdduites dans le MISFET

(lignes pleine

et

pointillke)

et dans le TEGFET (carrks et losanges) mesurkes I 12 GHz I la

tempkrature

ambiante.

[Comparison

of reduced equivalent ^noise temperatures ^{in the MISFET} (full ^and dashed lines) -and the TEGFET

(squares

and

diamonds)

measured _at 12 GHz, at ambient

temperature.]

RDN off l'on observe des oscillations et off _{la mesure de} bruit est

impossible.

La seconde zone, au sortir de la _zone h

RDN,

_{nous montre} de

faqon

trds

reproductible

_que la

tempdrature fiquivalente

de bruit ddcroit sensiblement alors que le courant de drain

augmente (Fig. 3).

Nous _avons

prbsentb

_au

paragraphe prbcbdent

_une

explication possible

de _ce

phdnomdne

_en

tenure de bruit de diffusion lib _au transfert _{en espace} rdel d'blectrons _{du canal} source-drain

vers la couche AlGaAs _avec capture I la

grille.

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