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Thèse Année : 2020

RF modeling and integrated Schottky diode design in BiCMOS 55nm technology for mmW applications

Contribution à la modélisation RF de diode Schottky intégrée en Technologie BiCMOS 55 nm et visant des applications sub-THz

Résumé

In a world facing new challenges such as mobility or safety, the increasing demand of applications fitted to new ways of life has driven the emergence of new technology markets. The challenge twofold lies in the rise of global mobile data traffic and the design of more efficient LiDAR sensor’s systems. This dual trend has prompted research studies on millimeter-wave bands in order to contribute to the development of increasingly competitive electronics circuits. Scientific researches presented in this thesis falls within this perspective. The first part of the study deals with the development of an innovative Schottky diode architecture in BiCMOS 55 nm technology. The fabricated Schottky diodes show state-of-the-art intrinsic performance with cut-off frequencies nearby 1 THz. An analytical modeling strategy have been initiated by leveraging the architecture dimensions and physics to efficiently provide à fair agreement with the factor of merit extracted from measurements. Some of these devices are then included in two demonstrator circuits. The first one is a silicon-based subharmonic mixer operating around 106 GHz. The subharmonic mixer design relies on the collaborative use of the Schottky diode architecture and the analytical lumped model developed in BiCMOS 55nm technology. Despite a 20.3 dB conversion loss, the reception of QAM-16 demodulated signal with data rate up to 40 Gbit/s has been achieved. The second circuit concerns a unit pixel for imager applications operating at 2.5 THz. This second study also suggests a detailed strategy of the integrated antennas designed in silicon technology. This research work aims at determining the feasibility innovative circuits designed with commercially available silicon technologies in order to address 5G and LiDAR markets.
Dans un monde qui doit faire face aux défis de la mobilité et de la sécurité, le besoin croissant d’applications adaptées aux nouveaux modes de vie a fait émerger de nouveaux marchés technologiques. L’enjeu réside à la fois dans l’augmentation du trafic mondial de données mobiles ainsi que dans la conception de systèmes de détection LiDAR plus efficients. Cette tendance duale a motivé de nombreux travaux de recherche en bande millimétrique afin de développer de circuits toujours plus performants. Les recherches scientifiques présentées dans cette thèse s’inscrivent dans ce sens. La première partie de l’étude porte sur le développement d’une architecture de diode Schottky innovante en technologie BiCMOS 55. Les diodes conçues montrent des performances intrinsèques à l’état de l’art avec des fréquences de coupure avoisinant les 1 THz. Une stratégie de modélisation analytique a été initiée en s’appuyant sur le dimensionnel et la physique de l’architecture et se montre efficacement en bon accord avec les facteurs de mérite extraits des mesures. Les diodes sont ensuite incluses dans deux circuits démonstrateurs. Le premier est un mélangeur sous-harmonique intégré sur silicium fonctionnant autour de 106 GHz. La conception du mélangeur s’appuie sur l’utilisation conjointe de l’architecture de diode Schottky et du modèle analytique développés en technologie BiCMOS 55nm. Malgré des pertes de conversion de 20,3 dB, la réception d’un signal QAM-16 démodulé avec un débit de 40 Gbit/s a pu être démontrée. Le second circuit démonstrateur porte sur le développement d’un pixel unitaire pour des applications d’imagerie fonctionnant à 2,5 THz. Cette deuxième étude propose également une stratégie détaillée de conception d’antennes intégrées en technologie silicium. L’objectif est d’établir la faisabilité de ces circuits innovants sur des technologies silicium commerciales en vue de s’insérer dans les marchés 5G et LiDAR afin d’adresser les enjeux actuels.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03185205 , version 1 (30-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03185205 , version 1

Citer

Vincent Gidel. Contribution à la modélisation RF de diode Schottky intégrée en Technologie BiCMOS 55 nm et visant des applications sub-THz. Electronique. Université Côte d'Azur, 2020. Français. ⟨NNT : 2020COAZ4088⟩. ⟨tel-03185205⟩
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