Étude des HBTs SiGe haute fréquence : évaluation de la caractérisation et de la nouvelle exploration d'une nouvelle architecture

Abstract

Les transistors bipolaires à hétérojonction au silicium-germanium (SiGe HBT) évoluent rapidement en raison de l’augmentation des fonctionnalités et de la vitesse des systèmes de communication actuels (4G, 5G et bientôt 6G). La fréquence maximale d’oscillation des HBT SiGe dépassant largement 300 GHz, ceci permet de concevoir des circuits fonctionnant au-delà de 100 GHz ; : on entre alors dans la gamme THz.. Dans cette plage, de nombreuses applications sont envisagées, comme (i) l’imagerie et la détection THz, (ii) les applications radar, (iii) les équipements de mesure, comme les convertisseurs analogiques-numériques à très large bande passante. Avec l’émergence du marché des ondes millimétriques et du THz, la caractérisation et la modélisation précises des dispositifs dans cette gamme de fréquences sont obligatoires pour optimiser les performances du circuit et minimiser le nombre de boucles de la conception à la fabrication. Cependant, alors que nous continuons à développer des dispositifs aux performances accrues en termes de fréquence, l’un des problèmes majeurs est la caractérisation précise à haute fréquence (> 100 GHz). Dans ce travail, tout d’abord, une méthode systématique de vérification de la mesure haute fréquence (jusqu’à 500 GHz) du HBT SiGe est proposée. La procédure implique un calcul précis de l’effet de l’environnement passif sur l’ensemble de la mesure via une simulation électromagnétique (EM) complète. Cela garantit que l’ensemble de l’environnement de mesure est précisément incorporé dans le cadre de la modélisation EM. Afin d’inclure en plus le dispositif actif SiGe HBT, un outil de conception assistée par ordinateur (TCAD) est utilisé pour simuler les paramètres S du dispositif. Les résultats de la simulation TCAD sont introduits dans un cadre de simulation EM-plus-SPICE pour émuler un environnement de mesure complet sur la plaquette. Les résultats finaux de la simulation montrent une très bonne corrélation avec les données de mesure on-wafer jusqu’à 500 GHz. De plus, la nécessité d’un calibrage et d’un épluchage approprié dans la caractérisation haute fréquence est soulignée par l’étude des paramètres S d’ un amplificateur à bande étroite à 170 GHz adapté aux applications radar en bande G. Parallèlement, pour combler le fossé THz, des recherches sur les dispositifs SiGe compatibles BiCMOS avec une vitesse et une tension de claquage accrues sont menées. Pour ce faire, deux architectures différentes de dispositifs SiGe HBT ont été investiguées dans ce travail : l’une basée sur une architecture de dispositif nanofil ayant moins de parasites latéraux, qui prédit un fMAX au-dessus de 900 GHz, et l’autre est un dispositif SiGe HBT latéral sur SOI qui démontre un fMAX au-dessus de 2.7 THz. Le HBT SiGe latéral asymétrique possède un collecteur légèrement dopé qui peut être ajusté électro-statiquement en appliquant une polarisation au substrat (Vsub). Le léger dopage du collecteur du dispositif est très sensible à cette polarisation et permet de passer d’un dispositif à haute vitesse à un dispositif à haute tension. La nouveauté de ce dispositif est qu’il atteint un fMAX de 2.7 THz à Vsub=2 V avec un BVCEO=2.2 V et peut être commuté à un fMAX de 0.8 THz avec un BVCEO=3.6 V et un Vsub=-2 V. En effet, ce dispositif latéral SiGe HBT fournit un levier supplémentaire dans la commutation entre les modes haute vitesse et haute puissance, ce qui ouvrira des nouvelles pistes de conception de circuits RF.