The object of this thesis is to explore the low-frequency noise (LFN) in silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) and lateral bipolar junction transistors (BJTs). The LFN of SiGe HBTs and lateral BJTs not only determines the lowest detectable signal limit but also induces phase noise in high-frequency applications. Characterizing the LFN behavior and understanding the physical noise mechanism, therefore, are very important to improve the device and circuit performance. The dissertation achieves the object by investigating the LFN of SiGe HBTs and lateral BJTs with different structures for performance optimization and radiation tolerance, as well as by building models that explain the physical mechanism of LFN in these advance bipolar technologies. The scope of this research is separated into two main parts: the LFN of SiGe HBTs; and the LFN of lateral BJTs. The research in the LFN of SiGe HBTs includes investigating the effects of interfacial oxide (IFO), temperature, geometrical dimensions, and proton radiation. It also includes utilizing physical models to probe noise mechanisms. The research in the LFN of lateral BJTs includes exploring the effects of doping and geometrical dimensions. The research work is envisioned to enhance the understanding of LFN in SiGe HBTs and lateral BJTs.

The purpose of this study is to investigate the role of strain in the accumulation of crystalline defects created by ion irradiation. Previous studies state that strained Si1xGex is more easily amorphized by ion irradiation than unstrained, bulk Si in a periodic superlattice structure; however, the reason for preferential amorphization of the strained Si1xGex layer in the periodic structure of strained and unstrained layers is not well understood. In this study, various ion irradiations will be carried out on SiGe strained layer superlattices grown on (100)-orientation bulk Si by low temperature molecular beam epitaxy. The samples under investigation are 50 nm surface Si0:8Ge0:2/bulk Si and 50 nm surface Si/60 nm Si0:8Ge0:2/bulk Si. Defects will be created in both surface and buried SiGe strained layers by medium and high energy light ion irradiation. The amount of permanently displaced atoms will be quantified by channeling Rutherford backscattering spectrometry. The amorphization model, the path to permanent damage creation, of bulk Si and surface strained SiGe will be investigated. The strain in surface and buried Si0:8Ge0:2 layers will be measured by comparison to bulk Si with Rutherford backscattering spectrometry by a novel technique, channeling analysis by multi-axial Rutherford backscatter- ing spectrometry, and the limitations of measuring strain by this technique will be explored. Results of this study indicated that the amorphization model, the number of ion collision cascades that must overlap to cause permanent damage, of strained Si0:8Ge0:2 is similar to that of bulk Si, suggesting that point defect recombination is less efficient in strained Si0:8Ge0:2. Additionally, a surface strained Si0:8Ge0:2 is less stable under ion irradiation than buried strained Si0:8Ge0:2. Repeated analysis by multi-axial channeling Rutherford backscattering spectrometry, which requires high fluence of 2 MeV He ions, proved destructive to the surface strained Si0:8Ge0:2 layer.

The objective of this thesis is to design RF circuits using silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) for communication system. The packaging effect for the SiGe chip using liquid crystal polymer (LCP) is presented and methodology to derive the model for the package is discussed. Chapter 1, we discuss the overview and benefits of SiGe HBT technology in high frequency circuit design. Chapter 2 presents the methodology of the low noise amplifier (LNA) design and discusses the trade-off between the noise and gain matching. The technique for achieving simultaneous noise and gain matching for the LNA is also presented. Chapter 3 presents an L-band cascaded feedback SiGe low noise amplifier (LNA) design for use in Global Position System (GPS) receivers. Implemented in a 200 GHz SiGe BiCMOS technology, the LNA occupies 1 x 1 millimeter square (including the bondpads). The SiGe LNA exhibits a gain greater than 23 dB from 1.1 to 2.0 GHz, and a noise figure of 2.7 to 3.3 dB from 1.2 to 2.4 GHz. At 1.575 GHz, the 1-dB compression point (P1dB) is 1.73 dBm, with an input third-order intercept point (IIP3) of -3.98 dBm. Lastly, Chapter 4 covers the packaging techniques for the SiGe monolithic integrated circuit (MMIC). We present the modeling of a liquid crystal polymer (LCP) package for use with an X-band SiGe HBT Low Noise Amplifier (LNA). The package consists of a 2 mil LCP laminated over an embedded SiGe LNA, with vias in the LCP serving as interconnects to the LNA bondpads. An accurate model for the packaging interconnects has been developed and verified by comparing to measurement results, and can be used in chip/package co-design.

<p>In this thesis, three different types of low-noise amplifiers (LNA’s) have been designed using a 0.25 mm SiGe BiCMOS process. Firstly, a single-stage amplifier has been designed with 11 dB gain and 3.7 dB noise figure at 8 GHz. Secondly, a cascode two-stage LNA with 16 dB gain and 3.8 dB noise figure at 8 GHz is also described. Finally, a cascade two-stage LNA with a wide-band RF performance (a gain larger than unity between 2-17 GHz and a noise figure below 5 dB between 1.7 GHz and 12 GHz) is presented. </p><p>These SiGe BiCMOS LNA’s could for example be used in the microwave receivers modules of advanced phased array antennas, potentially making those more cost- effective and also more compact in size in the future. </p><p>All LNA designs presented in this report have been implemented with circuit layouts and validated through simulations using Cadence RF Spectre.</p>

L'objectif de cette thèse est d'étudier les épitaxies SiGeC sélectives par rapport au nitrure de silicium afin d'améliorer les performances en fréquence des transistors bipolaires à hétérojonction à structure complètement auto alignée. Pour répondre à cette attente, le système SiH4/GeH4/SiH3CH3/HCl/B2H6/H2 est utilisé pour élaborer nos épitaxies sélectives.<br />Cette chimie à base de silane permet d'augmenter significativement la vitesse de croissance par rapport au système SiCl2H2/GeH4/HCl/H2 utilisé classiquement, aussi bien pour un dépôt silicium sélectif que pour un film SiGe sélectif. Par exemple, pour un film Si0,75Ge0,25 la vitesse de croissance est multipliée par un facteur 8.<br />L'incorporation des atomes de carbone dans les sites substitutionnels est facilitée par cette hausse du taux de croissance. En effet, la teneur en carbone substitutionnel est plus élevée en utilisant le silane comme précurseur de silicium (jusqu'à un facteur 4). L'effet bloquant du carbone sur la diffusion du bore est alors meilleur et le dopant est mieux contenu dans la base Si/SiGeC:B. Cette meilleure incorporation du carbone se reflète dans les résultats électriques. Le courant IB n'augmente pas aux fortes concentrations de carbone, ce qui signifie qu'il n'y a pas de centres recombinants dans la base. Le courant IC et la fréquence fT augmentent aussi, ce qui suggère que la largeur de la base neutre est plus fine et donc que la diffusion du bore est ralentie.<br />Nous avons également mis en évidence l'existence d'une corrélation entre le courant IB et l'intensité du signal de photoluminescence à température ambiante. En effet, considérant que leurs mécanismes de recombinaison sont similaires, nous avons noté que la hausse de IB correspond à la chute de la photoluminescence.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse entre dans le cadre du projet international d'interférométrie millimétrique et submillimétrique ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Il décrit les différentes étapes d'étude, de conception et de caractérisation de 2 circuits intégrés spécifiques hautes fréquences en technologie BiCMOS SiGe : un démultiplexeur 1 vers 16 à 4Gbps et un convertisseur analogique-numérique 3 bits à 4Gsps. Cette thèse a conduit à la réalisation et à l'industrialisation de ces circuits pour qu'ils puissent être implémentés sur déffirents téléscopes.

Ce mémoire présente le développement et la mesure d'oscillateurs micro-ondes à haute pureté spectrale basés sur la combinaison d'un résonateur saphir et d'un amplificateur faible bruit de phase (à transistors SiGe). Les applications de ces sources sont les systèmes radar de haute sensibilité et la métrologie temps-fréquence.\\<br />Le résonateur saphir (Al$_{2}$O$_{3}$), dans lequel sont excités des modes électromagnétiques d'ordre élevé dits modes de galerie, permet l'obtention de forts coefficients de surtension (de l'ordre de 2.10$^{5}$ à température ambiante). Différentes techniques de couplage de ces modes sont présentées ainsi qu'une méthode efficace pour privilégier le mode désiré. S'appuyant sur des modèles précis, l'utilisation d'une cavité originale sur laquelle est directement embarquée une électronique de régulation de haute-précision permet de réduire à -0,05 ppm/K la sensibilité de la fréquence du cristal aux variations de température ambiante. Un oscillateur construit avec ce résonateur optimisé présente une instabilité relative de fréquence de 4.10$^{-11}$ sur un temps d'intégration de 1s.\\<br />Parallèlement, nous présentons un modèle non-linéaire et en bruit très précis d'amplificateurs à base de transistors SiGe permettant de simuler et optimiser les performances en bruit de phase de ces composants. Des amplificateurs originaux multi-étages, utilisés en bande X, sont étudiés, conçus et caractérisés. Des paliers de bruit de l'ordre de - 165 dB.rad$^{2}$/Hz à 10 kHz de la porteuse sont mesurés.\\<br />En bande C, les oscillateurs développés présentent des performances en bruit de phase de -135 dB.rad$^{2}$/Hz à 1 kHz de la porteuse. Ce résultat consitue l'état de l'art mondial dans cette bande de fréquence. En bande X, les sources réalisées présentent un bruit de phase de -160 dB.rad$^{2}$/Hz à 100 kHz de la porteuse et de -145 dB.rad$^{2}$/Hz à 10 kHz de la porteuse. Pour de faibles fréquences de Fourier, ces performances sont améliorées de 40 dB en refroidissant le résonateur à 77K. \\

Thesis--Auburn University, 2009. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references (p.64-66).

The objective of the proposed research is to characterize the safe-operating-area of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) under radiofrequency (RF) operation and extreme environments. The degradation of SiGe HBTs due to mixed-mode DC and RF stress has been modeled for the first time. State-of-the-art 200 GHz SiGe HBTs were first characterized, and then DC and RF stressed. Excess base leakage current was modeled as a function of the stress current and voltage. This physics-based stress model was then designed as a sub-circuit in Cadence, and incorporated into SiGe power amplifier design to predict the DC and RF stress-induced excess base current. Based on these studies, characterization of RF safe-operating-area for SiGe HBTs using devices and circuits is proposed.

Next generation communication systems are reaching 110Gbps rates. At these frequencies, the skin effect and dielectric loss of copper cables cause inter-symbol interference (ISI) and frequency dependent loss, severely limiting the channel bandwidth. In this thesis, different methods for alleviating ISI are explored. The design of the critical blocks of an adaptive channel equalizer with up to two times oversampling are presented. The circuits were fabricated in a 0.13μm SiGe BiCMOS technology. The linear, adaptive equalizer operates up to 70Gbps and its measured S-parameters exhibit a single-ended peak gain of 12.2dB at 52GHz, allowing for 31dB of peaking between DC and 52GHz. Equalization is demonstrated experimentally at 59Gbps for a cable loss of 17.9dB. These results make it the fastest receive equalizer published to date. A retiming flip-flop operating between 72 and 118 GHz, the highest reported in silicon, is also designed and characterized, showing less than 500-fs jitter.