Interactions électrothermiques du transistor au circuit pour des technologies demi-THz TBH SiGe∶C

Electrothermal device-to-circuit interactions for half THz SiGe∶C HBT technologies

• Auteur / Autrice : Mario Weisz
• Direction : Cristell Maneux, Thomas Zimmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/11/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) - Laboratoire de l'intégration du matériau au système / IMS
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Begueret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Ardouin, Didier Celi, Sébastien Frégonèse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Gaquière, Ullrich Pfeiffer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse thermique

Modélisation électrothermique

Transistors bipolaires

Mots clés libres

Hétéro-transistors bipolaires (HBT)

Technologies térahertz

Modélisation électrothermique

Couplage thermique mutuel

Dispositif à des interactions de circuit

Oscillateur en anneau

Retards de grille de multiplication

Amplificateur de puissance

Transistor à plusieurs doigts

Résistance thermique

Capacité thermique

Impédance thermique

Caractérisations de dispositifs à semi-conducteurs

Mesures impulsion

Modélisation d'un dispositif semi-conducteur

Simulation TCAD thermique

Hetero-junction bipolar transistors (HBTs)

Terahertz technologies

Electrothermal modeling

Mutual thermal coupling

Intra-device coupling

Inter-device coupling

Device to circuit interactions

Ring oscillator

Propagation gate delay

Power amplifier

Multi-finger transistor

Thermal resistance

Thermal capacitance

Thermal impedance

Semiconductor device characterizations

Pulse measurements

Semiconductor device modeling

Thermal TCAD simulation

Résumé

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données.

The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.