Investigating high-frequency sige hbts : assessment of characterization and new architecture exploration

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.Silicon germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs) are rapidly evolving due to current communication systems' (4G, 5G & 6G) increased functionality and speed. Since the evaluation of SiGe BiCMOS technology, it has been serving the continuous demand for higher functionality and front-end performance quite well at low cost and medium to low volumes. As the operating frequency of SiGe HBTs exceeds 300 GHz, thus it allows critical circuits to operate beyond 100 GHz, which is called the lower end of the THz gap. The upper limit of the THz gap extends up to 30 THz. Within this THz gap range, a lot of applications are envisioned like (i) THz imaging and sensing (ii) Radar applications (iii) in measurement equipment like in ultra-high bandwidth analog to digital converters. With the emerging mm-wave and THz market in sight, the precise characterization and modeling of the devices in the sub-THz frequency range is compulsory to optimize the circuit performance and to minimize the number of design to fabrication loops. However, as we continue to develop devices with increased frequency performance, one of the major problems is accurate characterization at high frequencies (> 100 GHz).In this seminar, firstly, a systematic method for verifying high-frequency measurement (up to 500 GHz) of SiGe HBT is proposed. The procedure entails a precise calculation of the passive environment's effect on the entire measurement via a comprehensive electromagnetic (EM) simulation. This ensures that the entire measuring environment is precisely incorporated into the framework for EM modeling. In order to additionally include the active SiGe HBT device, a technology computer aided design (TCAD) tool is used to simulate the device S-parameters. TCAD simulation results are fed into an EM-plus-SPICE simulation framework to emulate a complete on-wafer measurement environment. The final simulation results show an appreciable correlation with the on-wafer measurement data up to 500 GHz. Further, the need for proper calibration and de-embedding in high-frequency characterization is emphasized by investigating the S-parameters corresponding to a narrow-band amplifier at 170 GHz suitable for G-band radar applications.Alongside, to bridge the THz gap further research on BiCMOS compatible SiGe devices with increased speed and breakdown voltage is being continued by various research groups across the globe. To accomplish this, two different SiGe HBT device architectures have been proposed in this work: one based on a nanowire device architecture with less lateral parasitic, which predicts an fMAX above 900 GHz, and the other one is an SOI-based lateral SiGe HBT device that demonstrates an fMAX of above 2.7 GHz.The asymmetric lateral SiGe HBT has a lightly doped collector that can be electro-statically adjusted by tuning the substrate bias (Vsub). The light collector doping of the device is very sensitive to substrate bias and allows one to switch from a high-speed device to a high voltage device. The novelty of this device is, that it achieves an fMAX of 2.7 THz at Vsub=2V with a BVCEO=2.2V and can be switched to an fMAX of 0.8 THz with a BVCEO=3.6 V at a Vsub=-2V. Indeed, this lateral SiGe HBT device provides additional leverage in switching between high-speed and high-power modes in response to the applied bias at the substrate contact, which will be very much helpful for RF circuit design engineers