Caractérisation électrique et modélisation des transistors HBTs SiGe à haute fréquence et pour les applications de type amplificateur de puissance

Electrical characterization and modelling of high frequency transistors for PA applications(SiGe HBT within BiCMOS technology)

• Auteur / Autrice : Jojo Varghese
• Direction : Sébastien Fregonese, Thomas Zimmer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Inscription en doctorat le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)

Mots clés

Mots clés libres

SiGe HBT

BiCMOS

Pa

Résumé

Les travaux de recherche se concentreront sur la technologie BiCMOS 55nm de STMicroelectronics et particulièrement le HBT SiGe. Par rapport aux dispositifs III-V, les HBT SiGe possèdent des caractéristiques intéressantes telles qu'un bon compromis entre le fonctionnement à haute fréquence, les propriétés thermiques et la fiabilité, ainsi qu'une densité d'intégration beaucoup plus élevée associée à un BEOL attrayant permettant la réalisation de lignes de transmission microruban et proposant un grand nombre de dispositifs passifs supplémentaires. Par conséquent, dans cette thèse, la recherche se concentrera sur la caractérisation et la modélisation du SiGe HBT afin d'explorer ses performances à la fois en termes de puissance élevée et de haute fréquence. Ce travail sera donc double : une première partie du travail sera consacrée à la caractérisation des fortes puissance en dehors de la limite de la zone de fonctionnement sûre en courant continu (SOA) tandis que la seconde partie concerne le développement de méthodes de calibrage et d'épluchage dans la gammes de fréquence mmW et sub-THz en petit signal. -Caractérisation forte puissance L'un des principaux inconvénients des HBT SiGe est la tension de claquage plus faible (BV) due à la bande interdite plus petite et au gain de courant plus élevé par rapport à de nombreux HBT III-V. L'obtention d'une densité de puissance de sortie élevée dans des conditions d'utilisation normales n'est donc pas possible. Dans le même temps, l'augmentation des performances de fréquence des HBTs a entraîné une diminution des tensions de claquage. Ainsi, les circuits d'amplificateurs de puissance (PA) fonctionnant à des fréquences plus élevées obligent les dispositifs à fonctionner plus près de leurs limites physiques afin de compenser la perte de puissance. Généralement, la tension de claquage DC collecteur-émetteur avec base ouverte (BVCEO) ou avec émetteur ouvert (BVCBO) a été présentée comme la mesure de la limite de tension des dispositifs PA. Dans les circuits PA, la tension d'enveloppe RF peut aller bien au-delà de la BVCEO sans provoquer de défaillance. Cela nécessite une description précise du comportement du transistor dans tous les régimes de fonctionnement, en particulier lorsque le transistor dépasse le SOA en courant continu. À l'aide d'un dispositif de type « Load-pull vector setup » récemment acquis, l'étudiant mesurera la forme d'onde I-V dans le domaine temporel lors d'un fonctionnement à grand signal afin de déterminer une zone de fonctionnement dynamique. La validité du modèle compact HICUM L2 sera examinée dans ces conditions de test difficiles. -Caractérisation à haute fréquence Des mesures précises des paramètres S constituent la base de la modélisation électrique compacte et de la conception de circuits HF. Des travaux antérieurs ont mis en évidence la déviation entre la mesure et la simulation du transistor et du circuit qui peut être observée dans la gamme sub-THz, ceci si l'extraction des paramètres du modèle est effectuée sur la mesure à l'aide d'une procédure de calibrage standard. En effet, la procédure d'étalonnage n'est pas suffisamment précise pour les dispositifs miniaturisés à haute fréquence : Les mesures sont sujettes au couplage sonde-substrat et sonde-sonde, ce qui introduit des incertitudes sur les dispositifs passifs ainsi que sur les mesures de transistors à très haute fréquence. Des travaux antérieurs axés sur le développement d'une procédure de modélisation EM de l'environnement de mesure, y compris les modèles de sonde, ont permis d'améliorer l'agencement des structures de test et la qualité des mesures. Malheureusement, malgré ces améliorations, une autre étape est nécessaire pour obtenir des mesures plus précises car la procédure d'étalonnage TRL avec ses 8 termes de correction d'erreur n'est pas suffisante. C'est pourquoi, dans cette thèse, le travail de recherche se concentrera sur la mise en œuvre d'une procédure de calibrage innovante (16 termes)

The research will focus on STMicroelectronics' 55nm BiCMOS technology, and in particular the SiGe HBT. Compared with III-V devices, SiGe HBTs offer interesting features such as a good compromise between high-frequency operation, thermal properties and reliability, as well as a much higher integration density combined with an attractive BEOL enabling the realization of microstrip transmission lines and offering a large number of additional passive devices. Consequently, in this thesis, research will focus on characterizing and modeling SiGe HBT in order to explore its performance both in terms of high power and high frequency. This work will therefore be twofold: the first part of the work will be devoted to high-power characterization outside the safe operating area (SOA) DC boundary, while the second part concerns the development of calibration and deembedding methods in the mmW and sub-THz small-signal frequency range. High-power characterization One of the main drawbacks of SiGe HBTs is the lower breakdown voltage (BV) due to the smaller bandgap and higher current gain compared to many III-V HBTs. Achieving high output power density under normal operating conditions is therefore not possible. At the same time, the increased frequency performance of HBTs has led to a reduction in breakdown voltages. As a result, power amplifier (PA) circuits operating at higher frequencies force devices to operate closer to their physical limits in order to compensate for power loss. Typically, the DC collector-emitter breakdown voltage with open base (BVCEO) or with open emitter (BVCBO) has been presented as the measure of the voltage limit of PA devices. In PA circuits, the RF envelope voltage can go well beyond the BVCEO without causing a failure. This requires an accurate description of transistor behavior in all operating regimes, especially when the transistor exceeds the DC SOA. Using a recently acquired load-pull vector setup, the student will measure the time-domain I-V waveform during large-signal operation to determine a dynamic operating region. The validity of the compact HICUM L2 model will be examined under these challenging test conditions. High-frequency characterization Accurate S-parameter measurements is the basis of compact electrical modeling and HF circuit design. Previous work has highlighted the deviation between measurement and simulation of the transistor and circuit that can be observed in the sub-THz range, if the extraction of model parameters is carried out on the measurement using a standard calibration procedure. Indeed, the calibration procedure is not sufficiently accurate for miniaturized high-frequency devices: measurements are subject to probe-substrate and probe-probe coupling, which introduces uncertainties on passive devices as well as on very high-frequency transistor measurements. Previous work focusing on the development of an EM modeling procedure for the measurement environment, including probe models, has led to improvements in test structure layout and measurement quality. Unfortunately, despite these improvements, a further step is needed to obtain more accurate measurements, as the TRL calibration procedure with its 8 error correction terms is not sufficient. This is why, in this thesis, the research work will focus on the implementation of an innovative calibration procedure (16 terms).