De nombreuses applications ont émergées ses dernières années pour les gammes de fréquences millimétriques (le radar, l’imagerie, les communications inter-satellitaire ou à faible distance/haut débits,…). Pour ce type d’applications, le silicium est longtemps resté en retrait, du fait de ses performances limitées par rapport aux composants III-V. Dans le contexte du projet Européen DotFive, plusieurs entreprises et laboratoires (STMicroelectronics, Infineon, IMEC, IHP, Dresden University,….) ont pour ambition la production de composants en technologie silicium proposant des fréquences maximales supérieures à 0.5 THz d’ici à 2013. Dans ce contexte STMicroelectronics a récemment publié des résultats sur des composants montrant une fréquence FMAX> 400 GHz, l’état de l’art se situant aujourd’hui à 0.5 THz (toujours dans le contexte du projet DotFive). Le silicium semble donc aujourd’hui en bonne voie pour rattraper son retard et répondre aux besoins pour les applications millimétriques. L’intérêt du Silicium étant principalement de pouvoir proposer des applications grand public, bas coût et de pouvoir intégrer les fonctions digitales et RF sur une même puce. Toutefois, les performances de cette technologie, notamment dans le domaine du non linéaire sont peu connue en gamme millimétrique. Pour pouvoir étudier ces performances, il est nécessaire d’avoir les bancs de mesures en gamme millimétrique. L’I.E.M.N. et STMicroelectronics n’étant équipés dans le domaine non linéaire que jusque 40 GHz (18 GHz pour STMicroelectronics). La problématique de cette thèse consistera donc à repousser les limites de la mesure de puissance jusqu’à 200 GHz.D’abord, un banc de mesure load-pull en bande W (75 GHz-110 GHz) sera mis en place. L’extraction du paramètre S11 en non linéaire permettra d’obtenir une très bonne précision du banc. Du fait de l’indisponibilité de tuners précis et offrant une bonne répétabilité en bande G (140 GHz-220 GHz) et des pertes importantes des sondes dans cette même bande de fréquence, l’utilisation de tuners intégrés sera envisagée, permettant ainsi de générer de forts coefficients de réflexion en sortie du dispositif. Ces tuners d’impédance devront répondre à un cahier des charge définit en terme de couverture et de linéarité. De plus, la difficulté de trouver des systèmes de mesure de puissance rapide et précis dans cette bande de fréquence nous amènera à développer un prototype de détection en utilisant une technologie III-V. Puis, l’ensemble des bancs étant mis en place, les performances des composants seront étudiées et les principales limitations physiques (thermique, ionisation,…) intervenant sur la puissance seront évaluées grâce à des mesures allant du DC jusque 200 GHz. Nous verrons que cette technologie offre une densité de puissance très intéressante et permettra ainsi de répondre à de nombreuses applications. C’est travaux de thèse sont réalisés dans le cadre d’une thèse CIFRE avec l’IEMN et STMicroelectronics. / Many applications are emerging at millimeter wave frequencies (radar, imaging, satellite or point to point communications). The ‘DotFive’ project gather industries and laboratories working in microelectronics field (STMicroelectronics, Infineon, IMEC, IHP, Dresden University,.) with the aim to product silicon devices with fMAX>500 GHz for year 2013. In this context, STMicroelectronics recently published results on SiGe HBT showing fMAX>400 GHz. The state of the art in this field is 0.5 THz (Dotfive). Thanks to these high performances, silicon technology seems to be a good challenger for millimeter wave applications. Main advantages of this technology are its ability to propose low cost production and the capability to integrate digital and radiofrequency applications on a single chip. However, non linear performances of the silicon technology have never been studied at millimeter wave frequencies. To this aim, non linear test bench are needed. Before this PhD, I.E.M.N. and STMicroelectronics were limited to 40 GHz. Thus, the goal of this thesis focus on the development of load pull test bench up to 220 GHz. First a W band (75 GHz-110 GHz) load pull test bench has been developed. The main innovation is the ability to extract non linear S11 parameter, in order to obtain an extremely high precision. Then, a G band load pull test bench has been developed with integrated impedance tuner for load impedance variation. The use of integrated impedance tuner was justified by unavailability of external tuner and the high probe losses at these frequencies. The designed integrated tuners have to respect fixed specifications for covered smith chart area and linearity. Due to the difficulty to find fast power measurement devices, we also developed a diode detector on III-V technology.These previously developed test bench allow studies on non linear behavior of CMOS and BiCMOS devices and on the mains physical effects (thermal effect, breakdown,…) which limit power performances from DC to 200 GHz. We will see that BiCMOS technology offer state of the art power density measured at 94 GHz. Finally, integration of a complete load pull test bench on silicon wafer is envisaged. This work have been done for the common laboratory I.E.M.N./STMicroelectronics.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2012LIL10186 |
| Date | 14 November 2012 |
| Creators | Pottrain, Alexandre |
| Contributors | Lille 1, Gaquière, Christophe, Gloria, Daniel |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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