NanoFET |
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Présentation
à températures T ~ 4,2 K, les
transistors ayant un faible niveau de bruit à basse fréquence
et un faible niveau de consommation sont actuellement absents mais sont
très demandés pour les préamplificateurs des
détecteurs aussi bien dans la science de l’univers, dans la
physique de basses températures que dans la conquête spatiale.
Cette étude ayant un intérêt pluridisciplinaire vise
à explorer les limites, physique et technologique, sur les
performances électriques et spécialement celles de bruits
dans des micro et nano-dispositifs basés sur un gaz
d’électrons bidimensionnel. Du point de vue fondamental, cette
étude nous permettra de mieux connaître les
propriétés de transport d’électrons dans leur
aspect granulaire ainsi que dans leur aspect ondulatoire lorsque la
dimension d’une nanostructure de grille est inférieure au
libre parcours moyen d’électrons.
Dans notre laboratoire, nous avons acquis le savoir-faire pour la
réalisation et la caractérisation de ces dispositifs.
à titre d’illustration, nous montrons deux résultats
dans des HEMTs pseudomorphique (Al,In)GaAs/GaAs. Le bruit 1/f au-dessous de
1 nV(Hz)-1/2, lorsque la fréquence est au-dessus de
5 kHz, a été obtenu dans un transistor à
4,2 K avec une surface de grille de 4 µm x 4 mm et une
puissance dissipée de 0,6 mW. Le bruit total équivalent
à l’entrée de seulement 0,2 nV(Hz)-1/2 avec
une bande passante de 2 MHz, a été atteint pour un
préamplificateur à 4,2 K à l’aide de ce
type de HEMT, avec une longueur de grille de 0,4 µm.
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| HEMT pseudomorphique fabriqué et monté dans un
boîtier céramique SOT23 |
Nanotransistors basés sur un gaz d'électrons bidimensionnel ; vue d'un transistor (encadré en bleu) ; vue des grilles coupées séparées d'environ 25nm pour former un canal unidimensionnel quantique (encadré en rouge). Dans ces figures : S: source, D: drain, G: grille. |
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Brevets- Hétérostructure semi-conductrice et transistor de type HEMT, en particulier pour applications cryogéniques à bas bruit et à basse fréquence, Y. Jin, U. Gennser, A. Cavanna, FR 1004012, (2010-10-11)
PublicationsPublications dans des journaux
- Schottky diode-based terahertz frequency multipliers and mixers , A. Maestrini, B. Thomas, H. Wang, C. Jung, J. Treuttel, Y. Jin, G. Chattopadhyay, I. Mehdi, G. Beaudin, C.R. Phys. 11, 480 (2010)
- Current correlations of an on-demand single-electron emitter , A. Mahé, F. D. Parmentier, E. Bocquillon, J.-M. Berroir, C. Glattli, T. Kontos, B. Plaçais, G. Fève, A. Cavanna, Y. Jin, Phys. Rev. B 82, 201309(R) (2010)
- Evidence of a fully ballistic one-dimensional field-effect transistor: Experiment and simulation , E. Gremion, D. Niepce, A. Cavanna, U. Gennser, Y. Jin, Appl. Phys. Lett. 97, 233505 (2010)
- Development of ultra-low noise HEMTs for cryoelectronics at ≤ 4.2 K
, E. Grémion, A. Cavanna, Y. Liang, U. Gennser, M.-C. Cheng, M. Fesquet, G. Chardin, A. Benoît, Y. Jin, J. Low Temp. Phys. 151, 971 (2008)
- A time domain multiplexer for large arrays of high impedance low temperature bolometers
, A. Benoît, S.J.C. Yates, E. Grémion, P. Camus, T. Durand, C. Hoffmann, S. Leclercq, A. Monfardini, A. Cavanna, B. Etienne, U. Gennser, Y. Jin, J. Low Temp. Phys. 151, 940 (2008)
- Observation of the eV=hν shot noise singularity in a quantum point contact
, E. Zakka-bajjani, J. Segala, F. Portier, P. Roche, D. C. Glattli, A. Cavanna, Y. Jin, Physica E 40, 1697 (2008)
- Realization of a time-controlled subnanosecond single electron source for ballistic qubits
, G. Feve, A. Mahé, J.-M. Berroir, T. Kontos, B. Plaçais, D. C. Glattli, A. Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, Physica E 40, 954 (2008)
- Subnanosecond Single Electron Source in the Time-Domain , A. Mahé, F. D. Parmentier, G. Feve, J.-M. Berroir, T. Kontos, A. Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, C. Glattli, B. Plaçais, J. Low Temp. Phys. 153, 339 (2008)
- The use of QPC-HEMTs for time domain multiplexing of large arrays of high impedance Low Temperature bolometers
, S.J.C. Yates, A. Benoît, E. Grémion, C. Ulysse, P. Camus, A. Cavanna, T. Durand, B. Etienne, U. Gennser, C. Hoffmann, S. Leclercq, Y. Jin, Rev. Sci. Instr. 78, 035104 (2007)
- Relaxation time of a chiral R-L circuit
, J. Gabelli, G. Fève, T. Kontos, J.-M. Berroir, B. Plaçais, D. C. Glattli, B. Etienne, Y. Jin, M. Büttiker, Phys. Rev. Lett. 98, 166806 (2007)
- An On-Demand Single-Electron Source
, G. Fève, A. Mahé, J.-M. Berroir, T. Kontos, B. Plaçais, D. C. Glattli, A. Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, Science 316, 1169 (2007)
- Experimental test of the high-frequency quantum shot noise theory in a quantum point contact
, E. Zakka-bajjani, J. Segala, F. Portier, P. Roche, D. C. Glattli, A. Cavanna, Y. Jin, Phys. Rev. Lett. 99, 236803 (2007)
- The use of HEMT in multiplexing large arrays of high impedance LTDs , S.J.C. Yates, A. Benoît, Y. Jin, P. Camus, A. Cavanna, T. Durand, B. Etienne, U. Gennser, E. Grémion, C. Hoffmann, S. Leclercq, C. Ulysse, Nucl. Instr. Meth. A A 559, 829 (2006)
- Violation of Kirchhoff\'s laws for a coherent RC circuit
, J. Gabelli, G. Fève, J.-M. Berroir, B. Plaçais, A. Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, C. Glattli, Science 313, 499 (2006)
- An aluminium-gate-metal-oxide-silicon capacitor with a tunnel-thin oxide under the bidirectional electric stress , A. El Hdiy, R. Khlil, Y. Jin, S.E. Tyaginov, A.F. Shulekin, M.I. Vexler, J. Appl. Phys. 98, 024501 (2005)
- A future tool for electrical metrology : single electron tunneling devices , N. Fetlin, L. Devoille, B. Steck, F. Piquemal, Y. Jin, Revue française de métrologie 2, 11 (2005)
- Deep levels and low-frequency noise in AlGaAs/GaAs heterostructures , R. Khlil, A. El Hdiy, Y. Jin, J. Appl. Phys. 98, 093709 (2005)
- An unusual nonlinearity in current-voltage curves of a bidimensional electron gas at low temperatures , R. Khlil, A. El Hdiy, A. Cavanna, F. Laruelle, Y. Jin, J. Appl. Phys. 98, 123701 (2005)
- Application of HEMT for multiplexing large arrays of high impedance LTDs , A. Benoît, P. Camus, A. Cavanna, A. El Hdiy, Y. Jin, S. Leclercq, Nucl. Instr. Meth. A 520, 581 (2004)
- Towards a background-free double-beta decay experiment using the EDELWEISS cryogenic Ge detectors , G. Chardin, A. Broniatowski, H. Deschamps, Y. Jin, M. Fesquet, Nucl. Instr. Meth. A 520, 145 (2004)
- Electric transport in a AlGaAs/GaAs structure from 300K to 4.2K , R. Khlil, A. El Hdiy, A. Cavanna, F. Laruelle, Y. Jin, J. Appl. Phys. 96, 3023 (2004)
- Electron-hole quantum partition noise in a quantum point contact , L. H. Reydellet, P. Roche, Y. Jin, D. C. Glattli, Physica E 22, 280 (2004)
- Dephasing in an isolated double-quantum-dot system deduced from single-electron polarization measurements , S. Gardelis, C. G. Smith, J. Cooper, D. A. Ritchie, E. H. Linfield, Y. Jin, M. Pepper, Phys. Rev. B 67(7), 73302 (2003)
- Evidence for transfer of polarization in a quantum dot cellular automata cell consisting of semiconductor quantum dots , S. Gardelis, C. G. Smith, J. Cooper, D. A. Ritchie, E. H. Linfield, Y. Jin, Phys. Rev. B 67, 33302 (2003)
- Quantum partition noise of photon-created electron-hole pairs , L. H. Reydellet, P. Roche, D. C. Glattli, B. Etienne, Y. Jin, Phys. Rev. Lett. 90, 65535 (2003)
- A relationship between 1/f noise and DC parameters in the pHEMT at 4.2K , T. Lucas, Y. Jin, J. Phys. IV 12, 113 (2002)
- Investigations on the low-power and low-frequency noise performance of pHEMT at 4.2K , T. Lucas, Y. Jin, J. Phys. IV 12, 121 (2002)
- Preliminary results FROM the ROC-Europe transition radiation experiment with a multichannel superheated superconducting grain detector , L. C. Yuan, C. Y. Huang, S. C. Lee, C. Chen, A. W. Chan, S. Hou, Y. H. Chang, P. K. Teng, V. Jeudy, P. Perrier, P. Bonierbale, D. Limagne, R. Bruère-Dawson, T. A. Girard, J. I. Collar, Y. Jin, G. Waysand, Nucl. Instr. Meth. A 444, 289 (2000)
- Evaluation of babrication tolerances on the ground state energy of electrostatically defined quantum dots , M. Macucci, G. Iannaccone, C. Vieu, H. Launois, Y. Jin, Superlatt. Microstruct. 27, 359 (2000)
- Tuning of surface boundary conditions for the 3D simulation on gated heterostructures , M. Macucci, G. Iannaccone, E. Amirante, Y. Jin, H. Launois, C. Vieu, Superlatt. Microstruct. 27, 369 (2000)
- Reduction of shot-noise in quantum conductors , L. Saminadayar, A. Kumar, D. C. Glattli, Y. Jin, B. Etienne, J. Phys. IV 9, 23 (1999)
Contrats et projets
Projets Internationaux
CESAR : Cryogenic Electronics for Space Applications and Research
Référence de contrat : FP7 - SPACE - 263455
Responsable(s) LPN : Yong Jin
Principaux objectifs : Develop a high performance cryogenic electronics and demonstrate its efficiency through three applications in the space research domain (2010-2013)
Projets Incitatifs du Ministère de la Recherche
e-QBIT : Transport d'information balistique quantique électronique
Référence de contrat : ACN
Coordinateur, Partenaire(s) : C. Glattli (ENS)
Responsable(s) LPN : Dominique Mailly, Yong Jin
Principaux objectifs : Explorer les nano-circuits électroniques balistiques pour transporter ou traiter de l'information codée par des électrons. (2002-2005)
Autres Projets Nationaux
DCMB : Développement concerté de matrice de bolomètres
Référence de contrat : Contrat CNES
Coordinateur, Partenaire(s) : A. Benoît (CRTBT)
Responsable(s) LPN : Yong Jin
Principaux objectifs : Une caméra bolométrique rapide pour l'observation astronomique dans le domaine millimétrique (2003-2007)
DispoSET : Dispositifs à un électron ou paire de Cooper
Référence de contrat : Contrat LNE
Responsable(s) LPN : Yong Jin
Principaux objectifs : Réalisation des dispositifs à un électron ou paire de Cooper pour un étalon quantique de courant (2006-2007)
Stages passés et en coursPost-doctorat
- Ultra HEMTs cryogéniques à très bas bruit pour la physique
Y. Liang-(En cours depuis 2011-01-01)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact :
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
En savoir plus
- Développement de composants pour l'astronomie sub-mm
L. Gatilova-(En cours depuis 2010-12-01)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : Y. Jin
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
En savoir plus
La détection hétérodyne aux fréquences THz et sub-THz est employée par de nombreux instruments sol ou embarqués dédiés à l’astrophysique, la planétologie et l’astronomie grâce à leur sensibilité et leur résolution spectrale très élevée. Ce type de détecteur nécessite à la fois une source monochromatique et un mélangeur. Les diodes Schottky peuvent être utilisées soit pour la génération THz, soit en mélange et peuvent travailler à la température ambiante ou cryogénique. La technologie Schottky est ainsi d’importance stratégique pour diverses applications. En étroite collaboration avec l'Observatoire de Paris, l’objectif de ce développement des diodes Schottky sub-microniques est de fournir au CNES et à l’ESA des circuits à l’état de l’art dans une gamme de fréquence très large jusqu’à 3 THz et répondant aux besoins de différentes missions à moyen et à long terme.
Thèse
- HEMTs cryogéniques à faible puissance dissipée et à bas bruit
Q. Dong-(En cours depuis 2009-10-01)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : Y. Jin
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
En savoir plus
Proposition de thèse BDI CNRS-CEA : Cette proposition, dans le cadre d’une collaboration entre le CNRS/LPN et le CEA/DSM/IRFU, vise à réaliser une nouvelle génération de HEMTs (High Electron Mobility Transistors) cryogéniques, à bas bruit et à faible puissance dissipée, destinés à la réalisation de préamplificateurs cryogéniques pour le projet de R&D Bolo X. Ce projet a pour but le développement d’une matrice de microcalorimètres X pour la prochaine mission spatiale internationale d’astronomie du rayonnement X « IXO » - programme de coopération entre la NASA, l’ESA et la JAXA. Il faut rappeler qu’une cryoélectronique performante, actuellement inexistante, est incontournable pour atteindre les limites intrinsèques des détecteurs cryogéniques allant de la recherche fondamentale en astrophysique aux applications en électronique spatiale et en instrumentation médicale. Notre choix stratégique porte sur les HEMTs, basés sur un 2DEG (gaz d’électrons bidimensionnel) de haute qualité. Ce choix s’appuie, d’une part, sur deux importantes technologies développées au LPN durant les deux dernières décennies : l’épitaxie par jets moléculaires (MBE) et la lithographie électronique, et d’autre part, sur les expériences acquises dans des dispositifs mésoscopiques cryogéniques. Pour atteindre notre but, de nombreux aspects seront abordés : - Optimisation des structures d’hétérojonction AlGaAs/GaAs par la technique de MBE pour minimiser le courant de fuite de grille et pour diminuer le niveau de bruits ; - Détermination des meilleures configurations et traitements de grille par la lithographie électronique pour améliorer la performance des HEMTs en terme de bruits ; - Modélisation des HEMTs à 4.2 K pour une meilleure compréhension physique sur le mécanisme du transport électronique à basse température sous fort champ électrique ;- Caractérisations et applications : évaluer les performances de ces transistors à 4.2 K ainsi que déterminer les conditions optimales de fonctionnement en tenant compte des critères de l’application réelle et afin de réaliser des préamplificateurs cryogéniques pour le projet de R&D Bolo X (détection des rayons X par microcalorimétrie). L’étudiant(e) participera pleinement et contribuera directement à la réalisation d’une nouvelle génération de cryoélectronique performante. Cette expérience lui permettra d’acquérir de nombreuses compétences dans différents aspects pratiques et théoriques de la microélectronique avancée. Personnes à Contacter : M. Yong JIN (CNRS/LPN) yong.jin@LPN.cnrs.fr ; M. Claude PIGOT (CEA/DSM/IRFU) cpigot@cea.fr . Références : Violation of Kirchhoff\\\\\\\'s Laws for a Coherent RC Circuit, Science, Volume 313, p.499, (2006); The use of QPC-HEMTs for time domain multiplexing of large arrays of high impedance LT bolometers, Rev. Sci. Instr, 78, 035104 (2007); An On-Demand Coherent Single-Electron Source, Science, Volume 316, p.1169, (2007) ;Development of ultra-low noise HEMTs for cryoelectronics at ≤ 4.2 K, J. low temp. phys. 151, 971 (2008)
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