The development of millimeter-wave (30-300 GHz) sensors and communications systems has a long history of interest, spanning back almost six decades. In particular, mm-wave radars have applications as automotive radars, in remote atmospheric sensing applications, as landing radars for air and spacecraft, and for high precision imaging applications. Mm-wave radar systems have high angular accuracy and range resolution, and, while susceptible to atmospheric attenuation, are less susceptible to optically opaque conditions, such as smoke or dust. This dissertation document will present the initial steps towards a new approach to the creation of a mm-wave radar system at 94 GHz. Specifically, this dissertation presents the design, fabrication and testing of various components of a highly integrated mm-wave a 94 Ghz monopulse radar transmitter/receiver. Several architectural approaches are considered, including passive and active implementations of RF monopulse comparator networks. These architectures are enabled by a high-performance three-dimensional rectangular coaxial microwave transmission line technology known as PolyStrataTM as well as silicon-based IC technologies. A number of specific components are examined in detail, including: a 2x2 PolyStrata antenna array, a passive monopulse comparator network, a 94 GHz SiGe two-port active comparator MMIC, a 24 GHz RF-CMOS 4-port active monopulse comparator IC, and a series of V- and W-band corporate combining structures for use in transmitter power combining applications. The 94 GHz cavity-backed antennas based on a rectangular coaxial feeding network have been designed, fabricated, and tested. 13 dB gain for a 2 x 2 array, as well as antenna patterns are reported. In an effort to facilitate high-accuracy measurement of the antenna array, an E-probe transition to waveguide and PolyStrata diode detectors were also designed and fabricated. AW-band rectangular coaxial passive monopulse comparator with integrated antenna array and diode detectors have also been presented. Measured monopulse nulls of 31.4 dB in the ΔAZ plane have been demonstrated. 94-GHz SiGe active monopulse comparator IC and 24 GHz RF-CMOS active monopulse comparator RFIC designs are presented, including detailed simulations of monopulse nulls and performance over frequency. Simulations of the W-band SiGe active monopulse comparator IC indicate potential for wideband operation, with 30 dB monopulse nulls from 75-105 GHz. For the 24-GHz active monopulse comparator IC, simulated monopulse nulls of 71 dB and 68 dB were reported for the azimuthal and elevational sweeps. Measurements of these ICs were unsuccessful due to layout errors and incomplete accounting for parasitics. Simulated results from a series of rectangular coaxial power corporate power combining structures have been presented, and their relative merits discussed. These designs include 2-1 and 4-1 reactive, Wilkinson, and Gysel combiners at V- and W-band. Measured back-to-back results from Gysel combiners at 60 GHz included insertion loss of 0.13 dB per division for a 2-1 combination, and an insertion loss of 0.3 dB and 0.14 dB for "planar" and "direct" 4-1 combinations, respectively. At 94 GHz, a measured insertion loss of 0.1 dB per division has been presented for a 2-1 Gysel combination, using a back-to-back structure. Preliminary designs for a solid-state power amplifier (SSPA) structure have also been presented. Finally, two conceptual monopulse transceivers will be presented, as a vehicle for integrating the various components demonstrated in this dissertation. / Ph. D.

As the demand for wireless electronics is increasing, more and more gadgets are connected wirelessly and devices are being improved constantly. The need of the new research and development for advance electronics with high performances is the priority. The data transfer rates are improved for faster communication and better efficiency is to reduce the battery consumption in handheld devices. This thesis presents three single-stage power amplifiers (PAs): class-AB, class-F and inverse class-F (class-F-1) at 28 GHz. The PAs have identical input networks: input matching, base DC feed, and base stabilizing networks. At the load side, there is a different load network for each PA. Class-AB PA load network has a single inductor with a parasitic capacitor to create a resonance at 28GHz. Class-F PA load network is composed of a parallel network (one LC tank in series with an inductor) and a series network (one 3f0-resonance LC tank in series with a capacitor) to create a multi-resonance load network. Class-F-1 load network is composed of a parallel network (two LC tank in series with an inductor) and a series network (one 2f0-resonance LC tank in series with a capacitor) to have a multi-resonance network. The main purpose of using multi-resonance load networks in class-F and class-F-1 is to shape the collector currents and voltages in order to achieve the highest efficiency possible. The chosen bias point is VCE=2.3V and ICE~12mA. As the results, class-AB PA achieves the peak PAE of 44%, 15 dBm OP-1dB, >19 dBm Psat , and 10 dB Gp. Class-F PA achieves the peak PAE of 46%, 14.5 dBm OP-1dB, ~18 dBm Psat , and 10 dB Gp. Class-F-1 PA achieves the peak PAE of 45%, 15.1 dBm OP-1dB, >18 dBm Psat , and 10 dB Gp.. In order to compare the linearity performances among three PA classes, a two-tone signal and a modulated signal with different modulation schemes (QPSK, 16QAM, 64QAM, and 256QAM) are applied to the PAs to produce IM3, ACPR, and EVM. After the analysis and comparison on efficiency and linearity, class-F PA gives the highest efficiency but has the worst linearity while class-AB has the best linearity but has the worst efficiency among three. Class-F-1 PA results lies in the middle of two other classes in term of efficiency and linearity. / Master of Science

In-phase and quadrature (I/Q) signal generation is often required in modern transceiver architectures, such as direct conversion or low-IF, either for vector modulation and demodulation, negative frequency recovery in direct conversion receivers, or image rejection. If imbalance between the I and Q channels exists, the bit-error-rate (BER) of the transceiver and/or the image rejection ratio (IRR) will quickly deteriorate. Methods for correcting I/Q imbalance are desirable and necessary to improve the performance of quadrature transceiver architectures and modulation schemes. This thesis presents the design and characterization of a monolithic 5-6 GHz Silicon Germanium (SiGe) inductor-capacitor (LC) tank voltage controlled oscillator (VCO) with tunable polyphase outputs. Circuits were designed and fabricated using the Motorola 0.4 ìm CDR1 SiGe BiCMOS process, which has four interconnect metal layers and a thick copper uppermost bump layer for high-quality radio frequency (RF) passives. The VCO design includes full-wave electromagnetic characterization of an electrically symmetric differential inductor and a traditional dual inductor. Differential effective inductance and Q factor are extracted and compared for simulated and measured inductors. At 5.25 GHz, the measured Q factors of the electrically symmetric and dual inductors are 15.4 and 10.4, respectively. The electrically symmetric inductor provides a measured 48% percent improvement in Q factor over the traditional dual inductor. Two VCOs were designed and fabricated; one uses the electrically symmetric inductor in the LC tank circuit while the other uses the dual inductor. Both VCOs are based on an identical cross-coupled, differential pair negative transconductance -GM oscillator topology. Analysis and design considerations of this topology are presented with a particular emphasis on designing for low phase noise and low-power consumption. The fabricated VCO with an electrically symmetric inductor in the tank circuit tunes from 4.19 to 5.45 GHz (26% tuning range) for control voltages from 1.7 to 4.0 V. This circuit consumes 3.81 mA from a 3.3 V supply for the VCO core and 14.1 mA from a 2.5 V supply for the output buffer. The measured phase noise is -115.5 dBc/Hz at a 1 MHz offset and a tank varactor control voltage of 1.0 V. The VCO figure-of-merit (FOM) for the symmetric inductor VCO is -179.2 dBc/Hz, which is within 4 dBc/Hz of the best reported VCO in the 5 GHz frequency regime. The die area including pads for the symmetric inductor VCO is 1 mm x 0.76 mm. In comparison, the dual inductor VCO tunes from 3.50 to 4.58 GHz (27% tuning range) for control voltages from 1.7 to 4.0 V. DC power consumption of this circuit consists of 3.75 mA from a 3.3 V supply for the VCO and 13.3 mA from a 2.5 V supply for the buffer. At 1 MHz from the carrier and a control voltage of 0 V, the dual inductor VCO has a phase noise of -104 dBc/Hz. The advantage of the higher Q symmetric inductor is apparent by comparing the FOM of the two VCO designs at the same varactor control voltage of 0 V. At this tuning voltage, the dual inductor VCO FOM is -166.3 dBc/Hz compared to -175.7 dBc/Hz for the symmetric inductor VCO -- an improvement of about 10 dBc/Hz. The die area including pads for the dual inductor VCO is 1.2 mm x 0.76 mm. In addition to these VCOs, a tunable polyphase filter with integrated input and output buffers was designed and fabricated for a bandwidth of 5.15 to 5.825 GHz. Series tunable capacitors (varactors) provide phase tunability for the quadrature outputs of the polyphase filter. The die area of the tunable polyphase with pads is 920 ìm x 755 ìm. The stand-alone polyphase filter consumes 13.74 mA in the input buffer and 6.29 mA in the two output buffers from a 2.5 V supply. Based on measurements, approximately 15° of I/Q phase imbalance can be tuned out using the fabricated polyphase filter, proving the concept of tunable phase. The output varactor control voltages can be used to achieve a potential ±5° phase flatness bandwidth of 700 MHz. To the author's knowledge, this is the first reported I/Q balance tunable polyphase network. The tunable polyphase filter can be integrated with the VCO designs described above to yield a quadrature VCO with phase tunable outputs. Based on the above designs I/Q tunability can be added to VCO at the expense of about 6 mA. Future work includes testing of a fabricated version of this combined polyphase VCO circuit. / Master of Science

La thermoélectricité est une science remise au goût du jour depuis quelques années en tant que source de récupération d'énergie. Dans cette optique, l'étude et la conception de dispositifs thermoélectriques à base de films minces se justifient parfaitement : en effet, les faibles dimensions de ces modules, de l'ordre du cm2, permettent leur intégration et leur utilisation dans des domaines nombreux et variés, tels l'industrie automobile, l'environnement du corps humain, l'alimentation de capteurs sans fil... Ainsi, ces travaux ont permis la réalisation et la caractérisation de plusieurs modules, composés de matériaux de différente nature, et de diverses géométries. Pour cela, le développement des procédés de calibration de couches minces, à la fois de matériaux semimétalliques, en bismuth et antimoine, mais aussi de matériaux semiconducteurs, en silicium et silicium-germanium, a été étudié et optimisé. De plus, l'utilisation de matériaux nanostructurés permet une amélioration des performances thermoélectriques via notamment une diminution de la conductivité thermique. Dans ce cadre, une étude théorique sur les transports électriques et thermiques dans les nanostructures, complémentée de mesures expérimentales sur des superréseaux Si/SiGe, ont permis de valider ces propos et de justifier leur intégration au sein de dispositifs thermoélectriques.

Les travaux présentés dans ce mémoire d'habilitation portent sur l'impact du bruit de fond électrique sur les technologies des composants actifs, les circuits et les systèmes des hautes fréquences. Durant nos 12 dernières années de recherche, nous nous sommes notamment intéressés à des filières émergentes à fort potentiel d'intégration (BiCMOS Silicium-Germanium) ou encore à forte puissance (GaN) : nous avons ainsi développé des modèles électriques (petit signal et fort signal) et en bruit (basse fréquence et haute fréquence) des composants actifs pour identifier les pistes d'améliorations technologiques, pour localiser les défauts structurels ou pour étudier le comportement de ces mêmes défauts après l'application de contraintes simulant un vieillissement accéléré. Sur la base de la connaissance des composants actifs (transistor bipolaire à hétérojonction et transistors à effet de champ), nous avons développé des circuits intégrés MMIC faible bruit à 10 GHz et 20 GHz (amplificateurs et oscillateurs) dont certains se positionnent à l'état de l'art : des comparaisons de topologies ont notamment été réalisées sur différentes versions intégrées d'oscillateurs contrôlés en tension de type MMIC SiGe. Nous proposons également une discussion sur la pertinence des facteurs de mérite usuellement employés. D'autres études sur des atténuateurs programmables MMIC SiGe ont fait l'objet de brevets. La troisième partie, orientée système, aborde l'étude du bruit d'un récepteur : nous traitons ainsi le cas d'un étage de réception affecté par la chaîne d'émission, en proposant différentes parades permettant de limiter les dégradations de son plancher de bruit ; une technique de filtre compact intégré à l'amplificateur faible bruit a ainsi été brevetée. Enfin, le cas d'un système de liaison hertzienne embarqué sur automobile est abordé. Diverses stratégies sont ainsi proposées pour pallier les évènements conduisant à une rupture de la liaison (diversité temporelle, diversité spatiale et diversité de polarisation). Ces études reposent sur une approche mixte de traitement de mesures par des modèles théoriques, et des simulations électromagnétiques.

Dans la course à la miniaturisation des dispositifs de la microélectronique, les alliages SiGe sont des matériaux remarquables pour poursuivre l'amélioration des performances des composants de type CMOS, le Silicium atteignant aujourd'hui ses limites physiques. En effet, une méthode originale pour appliquer une contrainte de compression uniaxiale au canal de conduction Silicium, afin d'augmenter la mobilité des trous des transistors pMOS, consiste à remplacer le Silicium dans les régions Source et Drain par des couches SiGe pseudomorphiques. L'utilisation de sources solides sacrificielles de Germanium peut être une solution pour la fabrication de telles structures. Dans ce travail, nous avons ainsi étudié l'interdiffusion Ge-Si, induite par recuit thermique à haute température, à partir d'hétérostructures Ge/Si dont la couche de Germanium est déposée par CVD. Le développement de la méthodologie SIMS MCs2+, que nous réalisons dans cette thèse, assure la caractérisation chimique de couches graduelles Si1-xGex dans la gamme complète de concentrations (0 d x d 1). Nous montrons que l'interdiffusion Ge-Si est fortement dépendante de la composition en Germanium mais également des défauts structuraux formés aux interfaces Ge-Si. Nous avons alors développé un modèle qui permet de reproduire fidèlement les profils expérimentaux. L'effet du dopage Bore tend à réduire légèrement l'interdiffusivité. Finalement, nous montrons que l'utilisation de couches de Germanium polycristallin est prometteuse pour la fabrication de couches graduelles Si1-xGex. En effet, elle permet de réduire la densité de défauts structuraux initialement présents dans les films monocristallins.

Le sujet abordé dans ce manuscrit traite de l'étude des défauts ponctuels et de leur rôle dans la diffusion au sein des semi-conducteurs Si et SiGe suivant une approche numérique. Le fait que les changements de concentrations observés dans un cristal à son échelle soient induits par des mouvements à l'échelle atomique, a conduit à une approche multi-échelle.<br /><br />Le calcul ab initio est un outil adapté à l'exploration des phénomènes inter-atomiques. Couplées à des algorithmes de minimisation des configurations, cet outil donne accès aux états stables et aux états de transition des phénomènes diffusifs. Le mouvement macroscopique est ensuite reproduit par l'utilisation de simulations de Monte Carlo cinétique.<br /><br />Nous détaillons, dans le présent travail, les coûts énergétiques et les géométries des principaux défauts répertoriés dans Si et SiGe. Il en ressort que la lacune, l'interstitiel dissocié, l'interstitiel hexagonal et le défaut tétra-coordonné sont tous les quatre des défauts de moindre énergie dans ces systèmes. L'étude des mouvements possibles et leurs utilisations dans des simulations de physique thermodynamique, permet de montrer l'existence de plusieurs régimes de diffusion, selon que les médiateurs du mouvement agissent seuls ou de façon coordonnée. Nous donnons l'exemple de la diffusion lacunaire, dont les variations observées s'expliquent par la présence plus ou moins importante de bi-lacunes et par les phénomènes de dissociation en jeu.<br /><br />Par cette étude, nous mettons en avant la nécessité de combiner, dans le cas de la diffusion, une analyse de l'échelle atomique avec des simulations à des échelles plus macroscopiques.

Ce travail est consacré à l'étude des phénomènes physiques dans les composants à base d'alliage SiGe en présence de fort champ électrique donc mettant en jeu des porteurs très énergétiques susceptibles d'induire de l'ionisation par choc. A l'aide d'une méthode k.p à 30 bandes, nous avons modélisé les structures électroniques complètes du Si, du Ge et des alliages Si1-xGex massifs et contraints sur une large gamme d'énergie (11 eV autour de la bande interdite) avec une très grande précision sur les paramètres de Luttinger ou les masses effectives. Associée au formalisme de la fonction enveloppe, cette méthode nous a fourni les relations de dispersion des sous-bandes en bande de valence et de conduction de puits quantiques à base d'alliages SiGe. Pour intégrer les structures électroniques dans la simulation du transport, nous avons calculé les densités d'états pour des structures électroniques 3D et 2D. Nous avons aussi obtenu les masses de densité d'états en fonction de la température dans les alliages SiGe massifs et contraints sur Si. Le chapitre 4 est consacré à l'étude du transport dans les alliages SiGe à partir d'une résolution déterministe de l'équation de Boltzmann. A l'aide des masses de densité d'états, nous avons calculé les mobilités moyennes des trous dans le SiGe. A partir de la simulation du transport à fort champ électrique des électrons dans le Si contraint sur SiGe et des trous dans le Ge contraint sur SiGe, nous avons obtenu les coefficients d'ionisation par choc dans ces matériaux. Des mesures d'électroluminescence réalisées sur des HFET à base d'alliages SiGe ont permis de remonter à quelques propriétés de l'ionisation par choc dans ces composants.

Dans les transistors MOS avancés, la réalisation de jonctions ultraminces (<15 nm) abruptes et fortement dopées par implantation ionique de dopant reste la voie privilégiée pour l'élaboration des extensions source/drain (S/D). Cependant, au cours du recuit d'activation, cette méthode s'accompagne de la formation de défauts étendus de type interstitiel et d'agglomérats défauts-dopants qui sont à l'origine de problèmes majeurs tels que la diffusion accélérée et transitoire (TED) des dopants et la dégradation des propriétés électriques des jonctions. L'objectif de cette thèse a été de modéliser de façon globale ces différents phénomènes physiques afin de prédire la distribution des dopants dans les extensions S/D. Pour ce faire, nous avons d'abord simulé la croissance compétitive de type maturation d'Ostwald que se livrent ces défauts au cours du recuit et nous l'avons couplée à la diffusion des dopants, notamment dans les cas d'intérêt technologique, lorsque l'étape d'implantations à forte dose cause la formation d'agglomérats défauts-dopants engendrant une immobilisation et une inactivation partielle du dopant dans le silicium. Nous avons ensuite étendu les modèles développés dans le silicium aux cas de nouveaux matériaux tels que le SOI (Silicon-On-Insulator) ou le SiGe (alliage silicium/germanium). Enfin, les modèles élaborés et calibrés pour la fabrication des jonctions ultra-fines ont été validés en simulant électriquement les technologies industrielles en développement à STMicroelectronics-Crolles : C65 SOI et SiGe 45, avec une attention particulière aux effets de petites géométries tels que le SCE (Short Channel Effects) et le DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).

Les nanofils sont des matériaux prometteurs, d'une part en tant qu'éléments de micro-générateurs, thermoélectriques ou photovoltaïques, d'autre part en tant que briques de base de systèmes nanoélectroniques. Ils répondent aux exigences de miniaturisation, d'autonomie et de mobilité des appareils nomades. Ces travaux de thèse ont consisté en la synthèse de nanofils de Si et de Si/SiGe, et plus particulièrement l'étude paramétrique de la croissance ainsi que l'analyse de leur structure. Les nanofils de Si et de Si/SiGe croissent selon la méthode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) à partir d'un catalyseur d'or. Du silane ou un mélange de silane-germane est injecté dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) subissant une décomposition thermique. Deux techniques de mise en œuvre des catalyseurs d'or ont été expérimentées et ont permis la croissance de nanofils : le démouillage d'un film continu d'or ou l'utilisation de colloïdes d'or. Les synthèses de nanofils de silicium, non dopés et dopés, et de nanofils de Si/SiGe ont été réalisées. La croissance des nanofils de silicium a fait l'objet d'une étude paramétrique détaillée qui permet de maîtriser la croissance, notamment pour la maîtrise de la longueur, du diamètre et de la forme des nanofils. Une étude structurale au microscope électronique en transmission a mis en évidence la cristallinité des fils, la présence de défauts structuraux ainsi que la confirmation de la synthèse d'hétérostructures Si/SiGe. Afin d'obtenir des nanofils dopés de types n ou p, de la phosphine ou du diborane ont été rajoutés au mélange. Les premières mesures du dopage ont été réalisées par spectrométrie de masse des ions secondaires et caractérisation électrique. La quantification du dopage par d'autres techniques est en cours de développement.