Mise au point d’une méthodologie de caractérisation des 4 paramètres de bruit HF des technologies CMOS et HBT avancées dans la bande 60-110 GHz : développement de système à impédance variable in-situ

Characterization’s methodology of the high frequency 4 noise parameters of advanced CMOS and HBT in millimeter wave band 60-110 GHz : development of a variable in-situ impedance system

• Auteur / Autrice : Yoann Tagro
• Direction : Gilles Dambrine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologie, acoustique et télécommunication
• Date : Soutenance le 09/04/2010
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors bipolaires

Lignes de transmission pour microondes

Varactors

Transistors MOSFET

Bruit

Dispositifs à ondes millimétriques

Mesure

Bruit électronique

Mots clés libres

Tuners d'impédances

MOSFET froid

Systèmes accordables

Integrated impedance tuners

Résumé

Les avancées technologiques sur la réduction de la longueur de grille en accord avec la loi de Moore permettent aujourd’hui d’avoir des transistors sur silicium assez performants (ft/fMax > 150 GHz). La connaissance des performances dynamiques et en bruit en gamme millimétrique des transistors passe par leur caractérisation qui aujourd’hui est rendue difficile à cause de la limitation en fréquence des appareils de mesure. Il a été question dans cette thèse d’établir dans un premier temps un état de l’art sur les tuners d’impédances. Cette étude a débouché sur la nécessité de concevoir et de caractériser des tuners intégrés pour s’affranchir des pertes d’insertions causées par les dispositifs passifs entre les tuners mécaniques et les transistors sous test. Nous avons décrit les BEOL et les différents composants constituant le tuner intégré, puis définit une architecture commune aux 2 technologies CMOS 65 nm et BiCMOS9MW. La mesure des tuners présente des performances meilleures (TOS de 7 :1 et 150 :1) que les tuners mécaniques standards. Les méthodes de caractérisation en bruit sont présentées avec une attention particulière sur la méthode des impédances multiples que nous avons utilisée en source froide. Nous concluons par l’extraction des 4 paramètres de bruit des transistors MOSFET et HBT, en utilisant les tuners intégrés conçus. Les performances obtenues sont respectivement de l’ordre de 2 dB et 3.5 dB à 80 GHz et sont en accord avec les modèles utilisés. Une ouverture vers des applications encore plus larges des tuners est présentée, permettant d’envisager des applications au-delà de la bande W (75-110 GHz), des systèmes load-pull et des amplificateurs à gain variable.

The advanced technologies following the gate length scaling in agreement with Moore’s law allow today to get high performances of silicon transistors (ft/fMax > 150 GHz). The knowledge of the silicon transistors’ dynamic and noise performances in millimeter wave range is mandatory but they characterization is difficult due to the limitation of measurement tools. In this thesis we establish in a first step a state of the art of existing impedance tune. This study is followed by the design and the characterization of integrated impedance tuners in order to avoid the insertion losses induced by the passive devices between mechanical tuner and transistors under test in classical setup. We have described the BEOL, the different integrated tuner’s components, and defined a common tuner’s architecture for both technologies (CMOS 65 nm and BiCMOS9MW). The tuner measures presented performances (TOS of 7:1 and 150:1) better than mechanical ones. The noise characterization methods are presented with particular focus on the multi impedance method that we have used in cold-noise source. We conclude by the extraction of the 4 noise parameters of the MOSFET and HBT transistors, using designed integrated tuners. The obtained noise performances in millimeter wave range are respectively around 2 dB (MOSFET) and 3.5 dB (HBT) and are in agreement with the used models. The possibility to address a broad band of applications with these tuners is also presented, such as load-pull applications, G band integrated tuner, variable gain amplifier.