Study of SiGe HPT for radio over fiber applications

par Marc Rosales

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Catherine Algani.

Soutenue le 30-06-2014

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Georges Alquié.

Le jury était composé de Catherine Algani, Jean-Luc Polleux, Tarik Bourouina.

Les rapporteurs étaient Pierre Lecoy, Laurent Vivien.

  • Titre traduit

    Analyse de phototransistor bipolaire à hétérojonction SiGe/Si pour application radio-sur-fibre


  • Résumé

    Ce travail de thèse présente le développement de phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe/Si mis en œuvre dans une technologie de processus 80GHz SiGe bipolaire pour des applications de transmission Radio-sur-Fibre. Le cas particuliers d'un réseau domestique sans fil à infrastructure optique est considéré pour lequel le critère de coût est prépondérant. Le fonctionnement des ce HPT SiGe/Si est étudié sous une longueur d'onde optique de 850 nm en exploitant des fibres optique multimode (MMF) suffisantes pour les besoins de bande passante dans un environnement de réseau domestique. Le HPT SiGe/Si est également développé dans l'objectif de permettre une intégration combiné du photorécepteur et circuit intégré monolithiquement, conduisant à des structures de type Opto-electronic Microwave Monolithically Integrated Circuit (OE-MMIC), visant à poursuivre l'intégration et la réduction des cours. Deux topologies ont été explorées principalement: 1) une topologie avec élargissement de la base et du collecteur (xBC HPT) et 2) une topologie avec élargissement des trois régions de base, émetteur et collecteur simultanément (xEBC HPT). Des variations technologies ont été réalisées et analysées en détail, à la fois en terme de couches verticales que de dessin de masque (layout). Les mesures ont démontré la validité technologique de chacune de ces approches, et permis d'isoler l'impact sur les performances statiques et dynamiques de chacune de ces couches. Une solution de type xEBC se montre ainsi préférable pour le cas de composants de petites dimensions inférieure à 50x50µm², dans la bande du GHz. Les phototransistors sont développés dans une configuration à trois terminaux (3T-HPT). Le type de polarisation de la base du HPT influe également sur la responsivité du phototransistor. Une polarisation de courant constant (CC) démontre une plus grande responsivité par rapport au cas d'une polarisation en tension ( CV). Une analyse détaillée montre aussi les différences de responsivité mesurées en continue et celles mesurées en basse fréquence à 50MHz. La connexion de base permet également de varier l'impédance de charge présentée sur celle-ci. La théorie de l'adaptation des phototransistors est rappelée. L'effet de différentes impédances de base sont étudiées par la simulation et la mesure des circuits réalisés technologiquement. L'intégration du phototransistor au sein d'un circuit élémentaire est enfin explorée. Différentes configurations de paires HPT - HBT sont étudiées, formant des circuits élémentaires. Des caractérisations expérimentales permettent de vérifier l'amélioration apportées par ces topologies par rapport au phototransistor unique. Enfin, un phototransistor SiGe en configuraiton 2T-HPT est utilisé et intégré avec succès pour la première fois au sein d'un module de type Receiving Optical Sub Assembly (ROSA) pour la mise au point d'une transmission Radio-sur-Fibre multiGigabit par seconde pour un réseau domestique


  • Résumé

    This research is focused on the study of silicon germanium based heterojunction bipolar phototransistors (SiGe HPTs) implemented in an 80GHz SiGe Bipolar process technology. It's application in a radio over fiber system for home area networks are investigated. RoF for Home area networks are envisioned to implemented with a minimal system cost. Operation at 850nm is identified as a critical parameter to achieve this goal. Low cost off the shelf optical components are readily available at this wavelength. The use of multi mode fibers (MMF) as opposed to higher cost single mode fiber (SMF) is sufficient for the bandwidth requirements in a home network environment. A monolithically integrated OE receiver chip would help in the overall reduction of the system cost by having the optical detector in the same chip with the electronic circuits. We have designed and implemented three terminal HPT (3T-HPT) structures. The two main groups of the HPT structures are: 1) HPTs with extended Base and Collector regions (xBC HPT) and 2) HPTs with extended Emitter, Base and Collector regions (xEBC HPT). Variations to improve optical coupling the though optimizations in the vertical stack and lateral size of the HPT. The measurements and characterization showed that all the structures are compatible with the process technology. The type of biasing used in the base of the HPT also influences the HPT performance. A constant current (CC) bias has higher extracted DC responsivity as compared to a constant voltage (CV) bias. The effects of the different passive base loads on the HPT responsivity are studied through simulation and measurement of fabricated circuits. The impedance presented on the base has a great influence on the HPT responsivity. The performance of an HPT as circuit component is studied using different HPT-HBT pair configurations. Tests and measurements verify that improvement in the classical transistor pair configurations are also present in the opto microwave response of the HPT-HBT pair. Finally, SiGe hpt is used in the development of a ROSA module for a radio over fiber systems for home area network


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