docteur de l`universite

N° d’ordre : 41550
THESE
Présentée à l’Université des Sciences et Technologies de Lille
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE
Spécialité : MICROONDES ET MICROTECHNOLOGIES
Par
Sandrine ŒUVRARD
Caractérisation d’une photodiode Germanium sur Silicium en vue
d’une utilisation source de bruit intégrée Térahertz
Soutenance prévue le 20 novembre 2014
Membres du Jury :
Pr. Christian Person
Président du Jury
Pr. François Danneville
Directeur de Thèse
Pr. Jean-François Lampin
Co-directeur de Thèse
Mr. Daniel Gloria
Encadrant Industriel
Dr. Laurent Chusseau
Rapporteur
Pr. Thomas Zimmer
Rapporteur
Dr. Guillaume Ducournau
Examinateur
Dr. Cristian Andrei
Examinateur
Dr. Sylvie Menezo
Invitée
Dr. Yvan Morandini
Invité
Thèse préparée en collaboration avec l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de
Nanotechnologies (IEMN) de l’USTL et STMicroelectronics Crolles
Thèse de Sandrine Oeuvrard, Lille 1, 2014
© 2014 Tous droits réservés.
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Résumé
Caractérisation d’une photodiode Germanium sur Silicium en vue
d’une utilisation source de bruit intégrée Térahertz
Aujourd’hui, l’amélioration des fréquences de coupure des transistors MOS et bipolaires
ouvre la voie à de nouvelles applications THz (communication et imagerie au-delà de 110
GHz). Des méthodologies de test concernant la caractérisation en bruit hyperfréquence des
transistors jusque 170 GHz ont été mises en place dans la cadre du laboratoire commun entre
STMicroelectronics et l’IEMN. Cependant, une des limitations principales à la conception
d’un outil de caractérisation en bruit au-delà de 170 GHz est le manque de source de bruit
état-solide à ces fréquences. Cette thèse propose un nouveau type de source de bruit aux
fréquences millimétriques pouvant fonctionner au-delà de 170 GHz, basée sur une solution
photonique intégrée sur Silicium.
Cette source de bruit photonique repose sur l’éclairage d’une photodiode en Germanium
sur Silicium par une source optique qui sera alors convertit en un bruit blanc électrique. Afin
de réaliser un démonstrateur permettant de valider ce concept, la première partie de ce
manuscrit décrira les difficultés liées à la caractérisation millimétrique en bruit et le cahier
des charges de notre source de bruit photonique. La deuxième partie décrira la technologie
photonique utilisée lors de cette thèse, avec une caractérisation et une modélisation petit
signal de notre structure de test photonique.
La troisième partie de ce manuscrit décrira le comportement haute-fréquence de la
photodiode, à la fois en puissance millimétrique et en puissance de bruit, afin de valider le
concept de source de bruit photonique. Une caractérisation de son ENR a été faite jusque 170
GHz et une étude des différents facteurs d’influence a été réalisée, permettant d’obtenir une
valeur maximale de 48 dB à 170 GHz.
La dernière partie de ce travail a été consacrée à la réalisation de trois démonstrateurs
comportant chacun cette source de bruit photonique reliée à un transistor bipolaire en
technologie B55. Ces démonstrateurs ont permis de réaliser une mesure du Facteur de Bruit
de ce transistor sous différentes impédances, pour des fréquences de 75 à 130 GHz.
Enfin, les différentes perspectives de ce travail seront présentées, dont la principale est la
caractérisation d’un démonstrateur plus robuste, fonctionnant de 130 à 170 GHz et permettant
l’extraction des quatre paramètres de bruit du transistor bipolaire en technologie B55.
Mots clefs :
Bruit électrique – Mesure ; Source de Bruit ; Extraction des paramètres de bruit ; Circuit
Photonique Intégré ; Photodiode Germanium-sur-Silicium ; Mesures optoélectroniques ;
Transistors bipolaires à hétérojonction ;
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Abstract
Germanium on Silicon photodiode characterization for THz
integrated noise source utilization
Today high frequency MOS and bipolar transistors are opening new opportunities for THZ
applications (communication and imagery beyond 110 GHz). High frequency noise
characterization test methodologies up to 170 GHz have been set up in a shared collaboration
between STMicroelectronics and IEMN laboratory. Nevertheless, one of the most important
limitations of noise characterization above 170 GHz is the lack of solid-state noise source at
these frequencies. This study proposes a new concept of noise source working at millimeter
wave frequencies above 170 GHz, based on a photonic integrated on silicon solution.
This photonics noise source concept relies on a Germanium-on-Silicon photodiode lighted
by an optical source and converting it into an electrical noise. In order to introduce this new
concept, the first part of this script will describe the noise millimeter-wave characterization
difficulties and the photonic noise source related specification. The second part will focus on
the used photonic technology, including a characterization and S-parameters modeling of the
photonic test structure.
The third part will describe the photodiode high frequency behavior, in terms of millimeter
wave power and noise power, in order to validate the photonic noise source concept. Its ENR
characterization has been achieved up to 170 GHz with a study of all the influencing factors,
allowing a maximal value of 48 dB at 170 GHz.
The last part of this work will be focused on three demonstrators’ achievement, each of
them involving this photonic noise source linked to a bipolar transistor in B55 technology.
Noise factor measurements of this bipolar transistor have been achieved for different
impedances, for frequencies from 75 to 130 GHz.
Finally, some perspectives of this work will be presented, including the characterization of
a more robust demonstrator working from 130 to 170 GHz. This demonstrator would allow
the four noise parameters extraction of bipolar transistors in B55 technology.
Keywords :
Electrical Noise Measurement ; Noise Source ; Noise parameters Extraction; Photonic
Integrated Circuit ; Germanium-on-Silicon Photodiode ; Opto-electronic Measurement ;
Heterojunction Bipolar Transistor.
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Sommaire
Résumé .......................................................................................................................................... 3
Sommaire ....................................................................................................................................... 5
Glossaire ........................................................................................................................................ 7
Introduction Générale ............................................................................................................. 9
Chapitre I – Le Facteur de bruit dans les technologies Silicium actuelles : état de l’art
des performances et des systèmes de caractérisation sous pointes .................................... 12
I.1 – Notion de bruit et méthode de caractérisation en bruit des transistors ................................ 12
I.1.1 – Notion de bruit en hyperfréquence des transistors .................................................. 12
I.1.2 – Notions de Facteur de Bruit et de Température équivalente en bruit ...................... 15
I.1.3 – Mesure du Facteur de Bruit : méthode de caractérisation sous pointes .................. 17
I.2 – Performances actuelles des transistors ................................................................................ 19
I.2.1 – Présentation des technologies CMOS, Bipolaire et BiCMOS .................................. 19
I.2.2 – Performances à l’état de l’art des transistors MOS et bipolaires ........................... 24
I.3 – Limitations actuelles de la caractérisation millimétrique en bruit ....................................... 29
I.3.1 – Limitation due au synthétiseur d’impédance .......................................................... 29
I.3.2 – Limitation due à la sensibilité de mesure du récepteur de bruit .............................. 32
I.3.3 – Limitation due à l’inexistence de source de bruit large bande haute-fréquence ..... 34
I.4 – Utilisation d’une photodiode Germanium comme source de bruit large bande .................. 36
I.4.1 – Cahier des charges d’une source de bruit ............................................................... 37
I.4.2 – Avantages apportés par cette solution et comparaison avec les sources de bruit
commerciales ............................................................................................................................ 38
I.5 – Conclusion et déroulement de la thèse ................................................................................ 40
Chapitre II – Principe de la photodiode Germanium intégrée sur Silicium .................... 46
II.1 – Technologie photonique PIC25G ...................................................................................... 46
II.1.1 - Description du guide d’onde monomode ................................................................. 47
II.1.2 - Description du réseau de couplage ......................................................................... 49
II.1.3 - Description de la photodiode Germanium .............................................................. 53
II.2 – Structure de test pour la caractérisation DC et RF de la photodiode ................................. 56
II.3 – Principes physiques de la photodiode : ses grandeurs caractéristiques .............................. 59
II.3.1 – Génération du courant photonique et courant d’obscurité .................................... 60
II.3.2 – Fréquence de coupure et mesure de la bande passante .......................................... 62
II.4 – Mesures petit signal et modélisation en paramètres S ....................................................... 64
II.4.1 – Caractérisation petit signal .................................................................................... 64
II.4.2 – Impédance de la photodiode en obscurité .............................................................. 66
II.4.3 – Impédance de la photodiode sous éclairement ....................................................... 74
Thèse de Sandrine Oeuvrard, Lille 1, 2014
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