Intégration des mécanismes de défaillance dans le modèle compact des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe (fmax = 0.7 THz) fonctionnant proche de l'aire de sécurité de fonctionnement

par Marine Couret

Projet de thèse en Electronique

Sous la direction de Cristell Maneux.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) et de Modélisation compacte et caractérisation des dispositifs électroniques (MODEL) (equipe de recherche) depuis le 07-11-2017 .


  • Résumé

    Les futurs circuits et systèmes électroniques demandent des performances de plus en plus exigeantes en vitesse et en courant, requérant ainsi une amélioration de la fréquence de coupure tout en travaillant à la limite de l'aire de fonctionnement sécurisée du transistor. La montée des performances fréquentielles à entraîner de fortes densités de courant augmentant ainsi le dopage du collecteur et déclenchant des instabilités tel que le pinch-in et l'avalanche. A ces facteurs s'ajoutent des instabilités thermiques dues au feedback postif entre le courant de collecteur Ic et la température du composant, créant ainsi de dangereux effets d'auto-échauffement menant à de fortes températures de fonctionnement du circuit venant affecter ses performances comme la fiabilité. Dans le cadre du projet Taranto, les interactions entre les mécanismes d'avalanche dépendant de la densité de courant, l'impact par ionisation et l'auto-échauffement seront approfondies afin de définir l'aire de fonctionnement sécurisée (SOA). De plus, l'utilisation du composant aux limites de la SOA entraînant des problèmes de fiabilité, une campagne de test de vieillissement sera mise en place afin de mieux cerner l'origine physique de ses mécanismes de défaillance. Afin de limiter l'impact de ces derniers sur des applications futures, un modèle compact prenant en compte les lois de vieillissement du HBT sera calculé en se basant sur le modèle compact HICUM L2. Ce modèle compact amélioré intégrant les lois de vieillissement SiGe HBT (HiCUM-AL) offrira un paramètre supplémentaire (facteur de vieillissement accéléré) permettant d'obtenir des résultats de simulation de circuit en fonction de son temps de fonctionnement. Par exemple, un vieillissement de 100h sera exécuté en 10 ns (temps de simulation du CPU). Le modèle HICUM-AL ouvrira la voie à des simulations optimisées pour la conception de circuits millimétriques à la fois en terme de performance mais aussi en termes de fiabilité à long terme.

  • Titre traduit

    Failure mechanisms implementation into 0.7 THz SiGe HBT compact model operating close to safe operating area edges


  • Résumé

    High speed and high current capability demands for designing future circuits and systems can be satisfied through aggressive cut-off frequency up-scaling while pushing the operating range towards boundaries of thresholds governing reliable transistor operation. The surge in frequency performance resulting in operating current densities requiring strongly doped collectors has triggered pinch-in and avalanche induced instabilities, thus breakdown thresholds governing the safe or usable voltage operational range have rapidly diminished inducing a pivotal fT-BV (Breakdown voltage) trade-off in advantageous SiGe HBT design. These factors in addition to thermal instabilities owing to positive feedback between IC and device temperature create dangerous self-heating effects leading to higher circuit operating temperatures affecting overall circuit performances including reliability. Within TARANTO project framework, the interactions between the current-density dependent mechanisms of avalanche induced current crowding or pinch-in instabilities, impact ionization, and self-heating will be deeply investigate to define the Safe Operating Area (SOA). Furthermore, since the device operation at the SOA edges induces reliability related issues, a dedicated aging test campaign will be settled and performed to get deeper insight into the physical origins of the failure mechanisms. To mitigate the impact of these failure mechanisms on future applications, a compact model taking account the HBT aging laws will be derived. This compact model will be based on HICUM compact model level 2. Providing an additional parameter (accelerating aging factor), this enhanced compact model integrating the SiGe HBT aging laws (HiCUM-AL) will afford circuit simulation results as a function of its operation time. For example, 1000h of virtual aging/operation time will be performed in 10ns (simulated CPU time). HiCUM-AL will pave the way to perform circuit simulations optimizing the mm-wave circuit design not only in term of sheer performances but also in term of long term reliability.