Low noise 183 GHz amplifiers for meteorology & astronomy
- Reference number
- ID22-0053
- Project leader
- Grahn, Jan
- Start and end dates
- 230101-261231
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
We propose an industrial PhD student project for demonstrating a 183 GHz low-noise transistor amplifier. Since water vapor is detectable at 183.3 GHz, the proposed technology can be applied in radiometers for remote sensing of the atmosphere conditions on Earth from satellites, of large interest for studying meteorological phenomena or long-term changes in the climate. The 183 GHz is also a profound frequency line for millimeter-wave astronomy in observing galaxy formation. The research strategy is to design and measure a 50 nm gate length transistor using InGaAs as the active channel material, creating a small-signal and noise device model, designing a low-noise 183 GHz amplifier based on the model, fabrication of the millimeter-wave circuit and measuring noise and gain for the packaged amplifier at 300 K and 4 K. Scientifically, the project will identify the physical limitations for noise reduction in a field-effect transistor operating above 100 GHz. Technically, the proposed project will challenge current detector solutions based on two-terminal devices by replacing these with integrated transistor circuit amplifiers. If successful, the project outcome will increase knowledge in noise generation in high-frequency transistors and aid Swedish industry in future commercialization of 100+ GHz semiconductor circuits designed and manufactured in Sweden.
Popular science description
Vid frekvensen 183 GHz kan vatten detekteras av känsliga förstärkare. Den elektronik som möjliggör förstärkning är baserad på avancerade halvledarkomponenter. Idag används dioder i förstärkarna. I detta projektförslag för en industridoktorand avser Chalmers och Low Noise Factory AB att utveckla en transistor för att kunna användas för förstärkning vid 183 GHz. Detta skulle kunna göra detektorsystemet enklare att konstruera och tillåta uppskalning för så kallade arrayer med tusentals förstärkare. Eftersom 183 GHz är känsligt för vatten kan detektorerna baserade på den föreslagna tekniken användas för att övervaka atmosfären från rymden. Insamlade data möjliggjorda av förstärkarna har betydelse för att förstå långsiktiga förändringar av klimatet. Vidare kan de nya förstärkarna användas inom radioastronomi för att studera galaxer och stjärnbildning; Som exempel var den uppmärksammade bilden från Vintergatans svarta hål möjliggjord med teknik som vi avser utveckla i detta projekt. Vi kommer att utveckla komponenter och modeller för att designa och mäta en prototyp av en förstärkare för 183 GHz. Testning kommer även göras vid låga temperaturer där vi kan identifiera fysikaliska mekanismer som begränsar reduktion av brus i transistorn. Ett lyckat projekt kommer således både bidraga till ny kunskap om halvledarkomponenter samt ge oss ny innovation inom elektronikhårdvara till gagn för meteorologi och astronomi. En annan effekt av projektet är att det kommer hjälpa Sverige att utveckla kompetens inom området halvledare vilket rönt stor uppmärksamhet senaste tiden på grund av bristande leverantörskedjor, inte minst i Europa. Ett lyckat projekt hjälper Sverige att ha fortsatt utveckling och produktion, om än småskalig, av ytterst avancerade halvledarchips.