Transistor bipolaire Si/SiGe C en nœud CMOS avancé pour applications (sub)-millimétriques

par Thomas Lacave

Thèse de doctorat en Microondes et Microtechnologies

Sous la direction de Christophe Gaquière et de Pascal Chevalier.

Soutenue le 13-12-2011

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec STMicroelectronics (entreprise) .


  • Résumé

    Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) Si/SiGe offerts dans les technologie BiCMOS actuellement en production atteignent des fréquences maximales d’oscillation fMAX proches de 300 GHz. Il est ainsi possible d’adresser des applications dans le domaine millimétrique jusqu’à 100 GHz, telles que les radars anticollision pour automobiles (77 GHz), les communications optiques (100 Gb/s) et sans fil haut débit (60 GHz) avec ces technologies BiCMOS. L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit était d’améliorer les performances en fréquences des TBH Si/SiGe, et plus particulièrement fMAX, afin de préparer la prochaine génération de technologie BiCMOS. Tout d’abord, les principes de fonctionnement du transistor bipolaire sont rappelés et l’architecture du composant étudié est présentée. Les différents paramètres définissant le profil de dopage sont étudiés et leurs influences sur les performances fréquentielles du transistor et notamment sur le compromis entre la fréquence de transition du gain en courant fT et fMAX. sont détaillées. La réduction des dimensions latérales du transistor dont le but est de diminuer les résistances et capacités parasites a fait l’objet d’une étude dont les résultats ont montré les bénéfices, mais également les limitations, quant à l’augmentation de fMAX. Ces études ont permis de démontrer la faisabilité d’intégrer un TBH de fT ~ 300 GHz et fMAX ~ 400 GHz dans un nœud CMOS 55 nm. Enfin, les différentes générations de composant mis au point pendant ces travaux, pour lesquelles des valeurs de fT entre 250 GHz et 320 GHz, et des valeurs de fMAX entre 330 GHz et 420 GHz, sont comparées entre elles ainsi qu’à la technologie BiCMOS9MW (fT = 220 GHz, fMAX = 280 GHz) actuellement en production. Cette comparaison concerne les performances en bruit et en puissance (grand signal) aux fréquences millimétriques. Les bénéfices de nos travaux ont également été démontrés à travers les résultats de circuits réalisés par des partenaires universitaires. Un de ces circuits a notamment été utilisé pour la fabrication d’un démonstrateur d’imagerie active à 160 GHz.

  • Titre traduit

    Si/SiGe bipolar transistor in advanced CMOS node for millimeter application


  • Résumé

    SiGe heterojonction bipolar transistors (HBT) available in production qualified BiCMOS technologies today reach maximum oscillation frequencies fMAX close to 300 GHz. These technologies address millimeter-wave applicationsuntil 100 GHz, as collision avoidance radar for automotive (77 GHz), 60 GHz high date rate wireless communications and 100 Gb/s optical communications.. Objective of the work presented in this manuscript was to increase the transit frequenciess, and more especially fMAX, of SiGe HBTs in order to prepare the next BiCMOS generation. First, the theory of the bipolar transistor and the architecture of the device used for our studies are presented. Then, the different parameters defining the vertical doping profile are investigated and their influences on frequency performances, in particular on the trade-off between the current gain transit frequency fT and fMAX are detailed. The reduction of the lateral dimensions of the transistor, performed to reduce parasitic resistances and capacitances, exhibited the benefits but also the limitations of the scaling toincrease fMAX. Those studies enabled to demonstrate the feasability to integrate a 300-GHz fT and 400-GHz fMAX HBT in a 55-nm CMOS node. Finally, the different generations of devices fabricated during this work, exhibiting fT values between 250 GHz and 320 GHz and fMAX values between 330 GHz et 420 GHz, are compared between them and with BiCMOS9MW, a production qualified technology featuring 220 GHz fT and 280 GHz fMAX. This comparison deals with both the noise and the power (large signal) performances at millimeter-wave frequencies. The benefit of the work carried out in this PhD thesis is also demonstrated through the results of circuits designed by partners from different universities. One of those circuits in particular had been used to demonstrate a prototype of an active imaging system at 160 GHz.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (228 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [223]-226. Liste des publications

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  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2011-317
  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille. Service commun de la documentation. Bibliothèque virtuelle.
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