Caractérisations et modélisations des technologies CMOS et BiCMOS de dernières générations jusque 220 GHz

Characterisation and modelling of CMOS and BiCMOS technologies up to 220 GHz

• Auteur / Autrice : Nicolas Waldhoff
• Direction : Gilles Dambrine, François Danneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes et microtechnologies
• Date : Soutenance le 04/12/2009
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Rayonnement terahertz

Bruit électronique

Mesures microondes

Transistors bipolaires

MOS complémentaires

Mots clés libres

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Modèles physiques

Résumé

Le contexte de ce travail de thèse s’inscrit dans les récents progrès des performances en gamme millimétrique des composants silicium tels que les MOSFET et les HBT SiGe. La situation actuelle en termes de circuits à base de silicium est limitée en fréquence autour de 60 GHz, seuls quelques résultats au-delà de 100 GHz ont d’ores et déjà été publiés. Dans ce contexte, il est maintenant nécessaire de savoir si les nouvelles et futures générations de transistors silicium peuvent adresser des fréquences encore plus élevées (jusque 220 GHz). Ces applications pourraient être des blocs d’émission réception à faible portée et très haut débit. Les aspects inconnus sont : 1) la validité des techniques de mesures sur silicium jusque 220 GHz ; 2) le comportement fréquentiel des transistors silicium jusque 220 GHz ; 3) la modélisation des transistors dans ces gammes de fréquences nécessaire à la conception de fonctions millimétriques. Des études à partir de simulations électromagnétiques ont été menées afin d’optimiser les structures de test (accès et topologie optimale des transistors). Ce travail est accentué sur les techniques de calibrage et d’épluchage sous pointes jusque 220 GHz. De plus, les études ont été orientées, d’une part, sur l’amélioration des modèles électriques des transistors jusque 220 GHz et d’autre part, la validité des modèles de bruit jusqu’en bande W (75-110 GHz). Pour cet aspect, le travail a été orienté sur l’élaboration de deux méthodes de mesure permettant de valider les modèles de bruit par des méthodes de mesures transférables en milieu industriel. A partir de ces modèles établis et validés, des démonstrateurs ont été réalisés fonctionnant en bande G.

The motivation of this work inherits from the recent progress in terms of cut-off frequencies of silicon transistors such as MOSFET (bulk and SOI) and SiGe HBT. In 2006, the state-of-the-art cut-off frequencies achieved more than 300 GHz. Nowadays, silicon circuits are limited around 60 GHz, only few with the exception of few circuits which operate at frequencies higher than 100 GHz (VCO at 130 GHz with SiGe HBT). In this context, it is highly required to check the ability of new and future generations of silicon transistors to provide higher cut-off frequencies especially in G band (140-220 GHz). These applications could be transmitter-receiver systems with high data rates and short distances. The unknown aspects are: 1) the validation of silicon transistors measurement up to 220 GHz; 2) the frequency behaviour of silicon transistors up to 220 GHz; 3) the modelling of these transistors. Electromagnetic simulations have been employed to optimize the test structures (the layout of the transistor). This work is particularly interested in calibration and de-embedding techniques for on-wafer measurements up to 220 GHz. Studies have been carried out on the small signal equivalent circuit improvement as well as the validation of the noise models in W band (75-110 GHz). From these validated models, pre-adapted transistors have been realised in G band. The development of measurement techniques adequate for the industry is the purpose of this work.