Le travail porte sur le développement et l’optimisation de transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) SiGe et SiGeC par conception technologique assistée par ordinateur (TCAD). L'objectif est d'aboutir à un dispositif performant réalisable technologiquement, en tenant compte de tous les paramètres : étapes de fabrication technologiques, topologie du transistor, modèles physiques. Les études menées permettent d’atteindre les meilleures performances, en particulier une amélioration importante de la fréquence maximale d’oscillation (fMAX). Ce travail est la première approche développée pour la simulation des TBH SiGeC qui prend en compte l'impact de la contrainte et de la teneur en germanium et en carbone dans la base; conjointement pour les simulations des procédés de fabrication et les simulations électriques.Pour ce travail, nous avons développé et implémenté dans le simulateur TCAD des méthodes d'extraction de fMAX prenant en compte les éléments parasites intrinsèques et extrinsèques. Nous avons développé et implémenté un modèle pour la densité effective d’états fonction de la teneur en germanium et en carbone dans la base. Les modèles pour la bande interdite, la mobilité et le temps de relaxation de l'énergie sont calibrés sur la base de simulations Monte-Carlo.Les différentes analyses présentées dans cette thèse portent sur six variantes technologiques de TBH. Trois nouvelles architectures de TBH SiGeC avancés ont été élaborées et proposées pour des besoins basse et haute performance. Grace aux résultats obtenus, le meilleur compromis entre les différents paramètres technologiques et dimensionnels permettent de fabriquer un TBH SiGeC avec une valeur de fMAX de 500 GHz, réalisant ainsi l’objectif principal de la thèse. / The present work investigates the technology development of state-of-the-art SiGe and SiGeC Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) by means of technology computer aided design (TCAD). The objective of this work is to obtain an advanced HBT very close to the real device not only in its process fabrication steps, but also in its physical behavior, geometric architecture, and electrical results. This investigation may lead to achieve the best electrical performances for the devices studied, in particular a maximum operating frequency of 500 GHz. The results of this work should help to obtain more physical and realistic simulations, a better understanding of charge transport, and to facilitate the development and optimization of SiGe and SiGeC HBT devices.The TCAD simulation kits for SiGe/SiGeC HBTs developed during our work have been carried out in the framework of the STMicroelectronics bipolar technology evolution. In order to achieve accurate simulations we have used, developed, calibrated and implemented adequate process models, physical models and extraction methodologies. To our knowledge, this work is the first approach developed for SiGe/SiGeC HBTs which takes into account the impact of the strain, and of the germanium and carbon content in the base, for both: process and electrical simulations.In this work we will work with the successive evolutions of B3T, B4T and B5T technologies. For each new device fMAX improves of 100 GHz, thus the technology B3T matches to 300 GHz, B4T and B5T to 400 and 500 GHz, respectively.Chapter one introduces the SiGe SiGeC heterojunction bipolar technologies and their operating principles. This chapter deals also with the high frequency AC transistor operation, the extraction methods for fMAX and the carrier transport in extremely scaled HBTs.Chapter two analyzes the physical models adapted to SiGeC strained alloys used in this work and the electrical simulation of HBT devices. This is also an important work of synthesis leading to the selection, implementation and development of dedicated models for SiGeC HBT simulation.Chapter three describes the B3T TCAD simulation platform developed to obtain an advanced HBT very close to the real device. In this chapter the process fabrication of the B3T technology is described together with the methodology developed to simulate advanced HBT SiGeC devices by means of realistic TCAD simulations.Chapter four describes the HBT architectures developed during this work. We will propose low-cost structures with less demanding performance requirements and highly performing structures but with a higher cost of production. The B4T architecture which has been manufactured in clean-room is deeply studied in this chapter. The impact of the main fabrication steps is analyzed in order to find the keys process parameters to increase fMAX without degrading other important electrical characteristics. At the end of this chapter the results obtained is used to elaborate a TCAD simulation platform taking into account the best trade-off of the different key process parameters to obtain a SiGeC HBT working at 500 GHz of fMAX.

Au cours des dernières années, la faisabilité des émetteurs-récepteurs millimétriques entièrement intégrés a été largement démontrée en technologies silicium CMOS et BiCMOS. Deux axes sont actuellement très porteurs dans ce domaine : (1) l’amélioration des performances à travers des boucles d’asservissement intégrées (ALC : Automatique Level Control), (2) le développement de solutions de caractérisation sur silicium des composants millimétriques (BIT : Built In Test). L’objectif principal de cette thèse est de développer les blocsde base (détecteurs de puissance et baluns) pour répondre aux besoins actuels des applications ALC et BIT. Les circuits réalisés combinent l’avantage de composants actifs de la technologie BiCMOS 55 nm, de STMicroelectronics, avec l’avantage des structures passives à ondes lentes développées à l’IMEP-LAHC. Ce travail permet un développement plus rapide et robuste pour la future génération de systèmes millimétriques. / In the past few years, the feasibility of high performance millimeter-wave(mmWave) fully-integrated transceivers has been widely demonstrated in both CMOS andBiCMOS silicon technologies. Nowadays, automatic level control (ALC) solutions and in-situtesting (BIT: Built in Testing) and characterization of mmWave components, constitute themajor research interest in mmWave domain. This work focus on the development of the mainbuilding blocks (power detectors and baluns) that meet the requirement of the today’smmWave ALC and BIT applications. The developed prototypes take advantage of the highperformances transistors offered by the BiCMOS 55 nm technology, from STMicroelectronics, aswell as the high performances of the slow-wave based passive components developed by theIMEP-LAHC laboratory. Several prototypes were developed as a proof of concept for thedesignated applications. This work helps future generation millimeter-wave systems to havefaster development and better robustness.

Les travaux de thèse, présentés dans ce manuscrit, portent sur la caractérisation et la modélisation des sources de bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe:C issus des filières BiCMOS 130 et 55 nm utilisées pour la réalisation de circuits intégrés dédiés aux futures applications dans le domaine du THz. A partir des mesures réalisées en fonction de la polarisation, de paramètres géométriques (surface et périmètre d'émetteur principalement) et de la température, la composante de bruit en 1/f, associée aux fluctuations du courant de base, a été entièrement caractérisée et les sources de bruit associées localisées. Les paramètres du modèle compact SPICE ont été extraits et comparés avec ceux de la littérature. Pour la technologie BiCMOS 130 nm, la valeur obtenue pour la figure de mérite KB égale 6,8 10-11 µm² ce qui représente le meilleur résultat publié à ce jour, toutes filières de transistors bipolaires confondues. Réalisée sur une plaque entière, l'étude statistique de la dispersion du niveau de bruit en 1/f a permis d'étendre la modélisation compacte de type SPICE. Mesuré sur une large gamme de température, le niveau de bruit en 1/f n'a pas présenté de variation significative. Pour la première fois, une étude complète de la composante de bruit en 1/f associée aux fluctuations du courant de collecteur est présentée et les paramètres du modèle SPICE extraits. Concernant la caractérisation des composantes de génération-recombinaison (présence non systématique), une étude statistique a montré que les transistors de plus petites dimensions étaient les plus impactés. La comparaison entre les différentes technologies montre que ces composantes sont beaucoup plus présentes dans les technologies les moins matures. Quand ces composantes ont été associées à du bruit RTS, une méthode de caractérisation temporelle et fréquentielle a été mise en œuvre. Enfin, dans certains cas, une étude en basses températures a permis d'extraire les énergies d'activation des pièges responsables de ces composantes de génération-recombinaison. / The presented thesis work, in this manuscript, focuses on the characterization and modeling of the low frequency noise sources in heterojunction bipolar transistors Si/SiGe :C derived from 130 to 55 nm BiCMOS technology used in the production of integrated circuits dedicated for THz domain applications. From measurements versus bias, geometrical parameters (emitter area and perimeter) and temperature, the 1/f noise component, associated to the base current fluctuations, has been fully characterized and the associated sources have been localized. The SPICE compact model parameters have been extracted and compared with those of the literature. For the BiCMOS 130 nm technology, the obtained figure of merit value of 6,8 10-11 µm2 represents the best published result so far in all bipolar transistors. The dispersion study of the 1/f noise component, performed over a complete wafer, allowed us to extend the SPICE type compact modeling. Measured over a large temperature range, the 1/f noise did not show any variations. For the first time, a complete characterization of the 1/f component at the output of the transistors is presented as well as the extraction of SPICE parameters. Regarding the characterization of generation-recombination components (unsystematic presence), a statistical study has showed that transistors with small emitter areas (Ae < 1 µm2) are affected more than the transistors with large emitter areas by the presence of g-r components. Comparison between different technologies shows that these components are much more present in the less mature technologies. When these components have been associated to RTS, time and frequency domain method is implemented. Finally, in some cases, a study at low temperatures was used to extract the activation energy of the traps responsible for the generation-recombination components.

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

Le développement permanent des applications informatiques telles que le stockage de masse, le calcul intensif et les communications large bande, encourage l’émergence de nouvelles technologies de communication. D’une part, les communications à travers des interconnexions métalliques approchent de leurs limites intrinsèques en termes d’énergie, surface et coût par bit. D’autre part, la photonique hybride conventionnelle, basée sur des assemblages 2D/3D de composants photoniques en technologies III-V, ne peut pas être complètement intégrée. Le développement de nouvelle architecture photonique sur silicium est une bonne alternative afin de proposer des systèmes intégrés de communication haut débit. La conception d’un modulateur électro-optique à très haut débit sur silicium fait l’objet de cette thèse. Dans un premier temps, un état de l’art des différents systèmes optiques est dressé, afin d’identifier les principaux verrous technologiques limitant leurs performances. Suite à l’analyse des différents types de modulateur optique implémentés sur silicium, une proposition d’architecture a été faite pour un modulateur Mach Zehnder 100 Gbits/s. Ce premier circuit a été développé avec la technologie PIC25G du fondeur STMicroelectronics. Le driver de ce modulateur a, quant à lui, été conçu avec la technologie 55 nm SiGe BiCMOS de ce même fondeur. Le démonstrateur proposé dans ces travaux offre un débit de 100 Gbits/s avec une modulation NRZ sur une unique voie optique. Pour cette configuration, ce prototype offre un débit binaire au-delà de l’état de l’art (pour une unique voie de transmission optique) avec une énergie par bit de 80 pJ/bit. / The sustained development of software applications including mass storage, intensive computing and broadband communication, motivates the emergence of novel communication technologies. On one hand, communications through metallic interconnections approach their inherent limitations in term of energy, area and cost per bit. On the other hand, conventional hybrid photonics, based on discrete 2D/3D photonic assemblies of III-V photonic devices, cannot be integrated. The rising silicon photonic technology, thanks to its high level of integration, overcomes the shortcomings of the two previous approaches and promises a low cost solution allowing close proximity integration of photonics with electronics.The design of a very high data rate electro-optic modulator on silicon is reported in this thesis manuscript. In a first section, the state of the art of optic systems is presented with a focus on the main technological challenges limiting performances. Then, a silicon based topology is introduced to achieve a 100 Gbs Mach Zehnder modulator. It was implemented with the STMicroelectronics PIC25G technology. The driver of this modulator was designed with the 55 nm SiGe BiCMOS technology of the same founder. The demonstrator introduced in this work offer a 100 Gbs data rate with an NRZ modulation on a single optical channel. For this configuration, this prototype provides a data rate beyond the state of the art (for a single optical transmission path) with an energy per bit of 80 pJ/bit.

Ces travaux de recherche visent à introduire et à généraliser l'utilisation des systèmes différentiels dans les applications RF et Micro-ondes. En particulier, dans la conception de dispositifs pour les fonctions d'amplification à faible bruit. Pour cela, il est indispensable de développer des outils fiables et rigoureux tels que le formalisme des modes mixtes introduit par Bockelman. C'est dans cet esprit que s'inscrit la première phase de l'étude. Le but étant de développer un outil pour l'analyse de la stabilité linéaire des systèmes différentiels à trois et quatre accès. Par ailleurs, les interfaces des circuits numériques ultra-rapides (CNA) sont de topologie différentielle. Ce qui augmente encore l'intérêt de disposer de méthodes rigoureuses pour la conception des systèmes différentiels. Dans la deuxième phase de l'étude la problématique de l'intégration système des CNAs dans les nouvelles générations des chaines de transmission RF des satellites de télécommunications est traitée. La conception d'un balun actif large bande capable d'assurer la conversion de la sortie analogique différentielle du CNA en sortie simple accès (Single-ended) référencée par rapport à la masse est détaillée. Afin de répondre aux contraintes d'intégration, une technologie BiCMOS SiGe 0.25 μm est utilisée pour son implémentation. Les performances obtenues par la mesure de la puce Silicium réalisée respectent les spécifications techniques initiales de l'application. Ce qui permet de valider la méthodologie de conception utilisée. L'objectif final est d'être capable d'intégrer sur un même substrat monolithique le CNA et le balun actif large bande de conversion de modes. / This research work aims to develop analytical tools for the analysis and design of differential systems. While the use of differential circuits in RF reception/transmission chains is increasingly growing, there is no accurate method to study their stability. First the common tools to study RF differential components are introduced. Then, the development of a CAD tool that can be rigorously used to investigate the extrinsic stability of linear differential systems is presented. Finally this tool is applied to study the stability of in a real case. The design addresses a three port component that aims to convert the differential output of digital to analog converter into a single-ended access for a spatial application purpose. This broadband active balun is designed using BiCMOS technology. Measurements are performed and the results are in good agreement with the simulation. All the initial specications are achieved, which validate the approach developed in this study.

Jitter requirements have become more stringent with higher speed serial communication links. Reducing jitter, with the main focus on reducing data dependant jitter (DDJ), is presented by employing adaptive finite impulse response (FIR) filter pre-emphasis. The adaptive FIR pre-emphasis is implemented in the IBM 7WL 0.18 µm SiGe BiCMOS process. SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs) provide high bandwidth, low noise devices which could reduce the total system jitter. The trade-offs between utilising metal oxide semiconductor (MOS) current mode logic (CML) and SiGe bipolar CML are also discussed in comparison with a very high fT (IBM 8HP process with fT = 200 GHz) process. A reduction in total system jitter can be achieved by keeping the sub-components of the system jitter constant while optimising the DDJ. High speed CML circuits have been employed to allow data rates in excess of 5 Gb/s to be transmitted whilst still maintaining an internal voltage swing of at least 300 mV. This allows the final FIR filter adaptation scheme to minimise the DDJ within 12.5 % of a unit interval, at a data rate of 5 Gb/s implementing 6 FIR pre-emphasis filter taps, for a worst case copper backplane channel (30" FR-4 channel). The implemented integrated circuit (IC) designed as part of the verification process takes up less than 1 mm2 of silicon real estate. In this dissertation, SPICE simulation results are presented, as well as the novel IC implementation of the proposed FIR filter adaptation technique as part of the hypothesis verification procedure. The implemented transmitter and receiver were tested for functionality, and showed the successful functional behaviour of all the implemented CML gates associated with the first filter tap. However, due to the slow charge and discharge rate of the pulse generation circuit in both the transmitter and receiver, only the main operational state of the transmitter could be experimentally validated. As a result of the adaptation scheme implemented, the contribution in this research lies in that a designer utilising such an IC can optimise the DDJ, reducing the total system jitter, and hence increasing the data fidelity with minimal effort. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2011. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241 / Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241

Interest in millimeter (mm-) wave frequencies covering the spectrum of 30-300 GHz has been steadily increasing. Advantages such as larger absolute bandwidth and smaller form-factor have made this frequency region attractive for numerous applications, including high-speed wireless communication, sensing, material science, health, automotive radar, and space exploration. Continuous development of silicon-germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) and associated BiCMOS technology has achieved transistors with fT/fmax of 505/720 GHz and integration with 55 nm CMOS. Such accomplishment and predictions of beyond THz performance have made SiGe BiCMOS technology the most competitive candidate for addressing the aforementioned applications. Especially for mobile applications, a critical demand for future mm-wave applications will be low DC power consumption (Pdc), which requires a substantial reduction of supply voltage and current. Conventionally, reducing the supply voltage will lead to HBTs operating close to or in the saturation region, which is typically avoided in mm-wave circuits due to expectated performance degradation and often inaccurate models. However, due to only moderate speed reduction at the forward-biased base-collector voltage (VBC) up to 0.5 V and the accuracy of the compact model HICUM/L2 also in saturation, low-power mm-wave circuits with SiGe HBTs operating in saturation offer intriguing benefits, which have been explored in this thesis based on 130 nm SiGe BiCMOS technologies: • Different low-power mm-wave circuit blocks are discussed in detail, including low-noise amplifiers (LNAs), down-conversion mixers, and various frequency multipliers covering a wide frequency range from V-band (50-75 GHz) to G-band (140-220 GHz). • Aiming at realizing a better trade-off between Pdc and RF performance, a drastic decrease in supply voltage is realized with forward-biased VBC, forcing transistors of the circuits to operate in saturation. • Discussions contain the theoretical analysis of the key figure of merits (FoMs), topology and bias selection, device sizing, and performance enhancement techniques. • A 173-207 GHz low-power amplifier with 23 dB gain and 3.2 mW Pdc, and a 72-108 GHz low-power tunable amplifier with 10-23 dB gain and 4-21 mW Pdc were designed. • A 97 GHz low-power down-conversion mixer was presented with 9.6 dB conversion gain (CG) and 12 mW Pdc. • For multipliers, a 56-66 GHz low-power frequency quadrupler with -3.6 dB peak CG and 12 mW Pdc, and a 172-201 GHz low-power frequency tripler with -4 dB peak CG and 10.5 mW Pdc were realized. By cascading these two circuits, also a 176-193 GHz low-power ×12 multiplier was designed, achieving -11 dBm output power with only 26 mW Pdc. • An integrated 190 GHz low-power receiver was designed as one receiving channel of a G-band frequency extender specifically for a VNA-based measurement system. Another goal of this receiver is to explore the lowest possible Pdc while keeping its highly competitive RF performance for general applications requiring a wide LO tuning range. Apart from the low-power design method of circuit blocks, the careful analysis and distribution of the receiver FoMs are also applied for further reduction of the overall Pdc. Along this line, this receiver achieved a peak CG of 49 dB with a 14 dB tunning range, consuming only 29 mW static Pdc for the core part and 171 mW overall Pdc, including the LO chain. • All designs presented in this thesis were fabricated and characterized on-wafer. Thanks to the accurate compact model HICUM/L2, first-pass access was achieved for all circuits, and simulation results show excellent agreement with measurements. • Compared with recently published work, most of the designs in this thesis show extremely low Pdc with highly competitive key FoMs regarding gain, bandwidth, and noise figure. • The observed excellent measurement-simulation agreement enables the sensitivity analysis of each design for obtaining a deeper insight into the impact of transistor-related physical effects on critical circuit performance parameters. Such studies provide meaningful feedback for process improvement and modeling development.:Table of Contents Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 1 Introduction 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 List of symbols and acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Technology 7 2.1 Fabrication Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 SiGe HBT performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 B11HFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 SG13G2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 SG13D7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Commonly Used Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Grounded-sidewall-shielded microstrip line . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.2 Zero-impedance Transmission Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3.1 Active Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.3.2 Passive Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Low-power Low-noise Amplifiers 25 3.1 173-207 GHz Ultra-low-power Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.1 Topology Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Bias Dependency of the Small-signal Performance . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.2.1 Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.2.2 Bias vs Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1.2.3 Bias vs Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.2.4 Bias vs Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.3 Bias selection and Device sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.3.1 Bias Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.3.2 Device Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.4 Performance Enhancement Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.4.1 Gm-boosting Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.4.2 Stability Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.4.3 Noise Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.5 Circuit Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.5.1 Layout Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.5.2 Inductors Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.5.3 Dual-band Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.5.4 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1.6 Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.6.1 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.6.2 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.6.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2 72-108 GHz Low-Power Tunable Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.1 Configuration, Sizing, and Bias Tuning Range . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.2 Regional Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2.1 Impedance Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2.2 Regional Matching Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.3 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.4.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4 Low-power Down-conversion Mixers 73 4.1 97 GHz Low-power Down-conversion Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.1 Mixer Design and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.1.1 Mixer Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.1.2 Bias Selection and Device Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1.1.3 Mixer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1.2 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.2.1 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.2.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5 Low-power Multipliers 87 5.1 General Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2 56-66 GHz Low-power Frequency Quadrupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3 172-201 GHz Low-power Frequency Tripler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4 176-193 GHz Low-power ×12 Frequency Multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6 Low-power Receivers 101 6.1 Receiver Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 LO Chain (×12) Integrated 190 GHz Low-Power Receiver . . . . . . . . . . . . . 104 6.2.1 Receiver Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.2 Low-power Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.3 Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.2.3.1 LNA and LO DA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.2.3.2 Tunable Mixer and IF BA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2.3.3 65 GHz (V-band) Quadrupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.3.4 G-band Tripler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2.4 Receiver Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.2.5 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.2.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7 Conclusions 133 7.1 Summaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Bibliography 135 List of Figures 149 List of Tables 157 A Derivation of the Gm 159 A.1 Gm of standard cascode stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 A.2 Gm of cascode stage with Lcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 A.3 Gm of cascode stage with Lb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 B Derivation of Yin in the stability analysis 163 C Derivation of Zin and Zout 165 C.1 Zin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.2 Zout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D Derivation of the cascaded oP1dB 169 E Table of element values for the designed circuits 171

This letter presents the design and characterization results of a multi-octave power amplifier fabricated in a 0.13μm SiGe-BiCMOS technology. The single stage power amplifier is implemented as the stack of a cascode amplifier combining broadband input matching network with resistive feedback, and a common-base amplifier with base capacitive feedback. Measurement results show that the design delivers a peak saturated output power level of 20.2 dBm, with output 1 dB compression at 19.4 dBm. The measured 3 dB power bandwidth is from 4 GHz to 32 GHz, covering three octaves. The corresponding power fractional bandwidth is 156 %. The measured peak power added efficiency is 20.6 %, and peak small signal gain is 18.6 dB. The fabricated integrated circuit occupies an area of 0.71mm2. To compare state-of-the-art multi-octave power amplifiers, the power amplifier figure of merit defined by the international technology roadmap for semiconductors is modified to include power fractional bandwidth and area. To the knowledge of the authors, the presented design achieves the highest figure of merit among multi-octave power amplifiers in a silicon based integrated circuit technology reported in literature.