Caractérisation et modélisation des sources de bruit BF dans les transistors bipolaires développés en technologie BiCMOS (sub 0,13µm) pour applications RF et THz

Characterization and modeling of bipolar transistor noise sources developed in BiCMOS technology (sub 0.13µm) for RF to THz applications.

• Auteur / Autrice : Marcelino Seif
• Direction : Fabien Pascal, Bruno Sagnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 10/04/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d’Electronique et des Systèmes / IES
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Pascal, Bruno Sagnes, Jean-Marc Routoure, Jean-Guy Tartarin, Alain Hoffmann, Christian C. Enz, Sébastien Haendler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marc Routoure, Jean-Guy Tartarin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit

BiCMOS

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

Transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe

Bruit basse fréquence

BiCMOS

Caractérisation

Modélisation

Heterojunction bipolar transistors Si/SiGe

Low frequency noise

BiCMOS

Characterization

Modeling

Résumé

Les travaux de thèse, présentés dans ce manuscrit, portent sur la caractérisation et la modélisation des sources de bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe:C issus des filières BiCMOS 130 et 55 nm utilisées pour la réalisation de circuits intégrés dédiés aux futures applications dans le domaine du THz. A partir des mesures réalisées en fonction de la polarisation, de paramètres géométriques (surface et périmètre d'émetteur principalement) et de la température, la composante de bruit en 1/f, associée aux fluctuations du courant de base, a été entièrement caractérisée et les sources de bruit associées localisées. Les paramètres du modèle compact SPICE ont été extraits et comparés avec ceux de la littérature. Pour la technologie BiCMOS 130 nm, la valeur obtenue pour la figure de mérite KB égale 6,8 10-11 µm² ce qui représente le meilleur résultat publié à ce jour, toutes filières de transistors bipolaires confondues. Réalisée sur une plaque entière, l'étude statistique de la dispersion du niveau de bruit en 1/f a permis d'étendre la modélisation compacte de type SPICE. Mesuré sur une large gamme de température, le niveau de bruit en 1/f n'a pas présenté de variation significative. Pour la première fois, une étude complète de la composante de bruit en 1/f associée aux fluctuations du courant de collecteur est présentée et les paramètres du modèle SPICE extraits. Concernant la caractérisation des composantes de génération-recombinaison (présence non systématique), une étude statistique a montré que les transistors de plus petites dimensions étaient les plus impactés. La comparaison entre les différentes technologies montre que ces composantes sont beaucoup plus présentes dans les technologies les moins matures. Quand ces composantes ont été associées à du bruit RTS, une méthode de caractérisation temporelle et fréquentielle a été mise en œuvre. Enfin, dans certains cas, une étude en basses températures a permis d'extraire les énergies d'activation des pièges responsables de ces composantes de génération-recombinaison.

The presented thesis work, in this manuscript, focuses on the characterization and modeling of the low frequency noise sources in heterojunction bipolar transistors Si/SiGe :C derived from 130 to 55 nm BiCMOS technology used in the production of integrated circuits dedicated for THz domain applications. From measurements versus bias, geometrical parameters (emitter area and perimeter) and temperature, the 1/f noise component, associated to the base current fluctuations, has been fully characterized and the associated sources have been localized. The SPICE compact model parameters have been extracted and compared with those of the literature. For the BiCMOS 130 nm technology, the obtained figure of merit value of 6,8 10-11 µm2 represents the best published result so far in all bipolar transistors. The dispersion study of the 1/f noise component, performed over a complete wafer, allowed us to extend the SPICE type compact modeling. Measured over a large temperature range, the 1/f noise did not show any variations. For the first time, a complete characterization of the 1/f component at the output of the transistors is presented as well as the extraction of SPICE parameters. Regarding the characterization of generation-recombination components (unsystematic presence), a statistical study has showed that transistors with small emitter areas (Ae < 1 µm2) are affected more than the transistors with large emitter areas by the presence of g-r components. Comparison between different technologies shows that these components are much more present in the less mature technologies. When these components have been associated to RTS, time and frequency domain method is implemented. Finally, in some cases, a study at low temperatures was used to extract the activation energy of the traps responsible for the generation-recombination components.