Sujet : Intégration sur silicium de solutions complètes

Sujet : Intégration sur silicium de solutions complètes de
caractérisation de transistor en bruit ou puissance incluant
les composants de forte impédance à des fréquences au-delà
de 110GHz
Contexte :
Aujourd’hui, les applications avec circuits intégrés sur Silicium dans les bandes de
fréquence 60 et 77GHz, considérées comme émergentes il y a quelques années, sont en
phase d’industrialisation et ont nécessité par le passé le développement d’outils de mesure
et de modélisation adaptés à ces fréquences. Les fréquences de coupure des transistors
avancés (Bipolaires et MOSFET) continuant de croître, le silicium vise aujourd’hui des
applications potentielles au-delà de 110GHz et jusqu’au THz nécessitant à terme des outils
industriels de tests de ces transistors afin de les optimiser, les modéliser et de concevoir des
librairies de conception.
Problématique :
Des travaux de thèses déjà réalisés ou en cours, révèlent aujourd’hui 4 limitations
pour adresser ce contexte :
-
En bande 50-110GHz, la mesure des paramètres de bruit et de puissance
(de type load pull) des composants est réalisable avec des équipements
disponibles sur le marché (Sources de signal, Synthétiseurs d’impédance,
mesureurs de puissance). Néanmoins, pour adresser un facteur temps de
test compatible dans l’industrie, l’intégration du synthétiseur dans la puce
testée est un élément indispensable.
-
De 110GHz à 325GHz, l’instrumentation n’est plus disponible pour ce qui
est du synthétiseur d’impédance qui devient forcement intégré, les
sources de signal et les détecteurs sont réalisables en éléments externes
localisés souvent bande étroite (quelques GHz) ce qui est une réelle
limitation à la modélisation large bande requise. Des bancs académiques
ont été développés avec cette approche qui reste donc indispensable
mais insuffisante (bande étroite, temps de test non compatible pour un
tester industriel)
-
Au-delà de 325GHz, aucune instrumentation n’est disponible pour la
mesure de bruit et de linéarité.
-
Quelque soit la plage de fréquence considérée, dès lors que les
composants présentent une forte désadaptation vis-à-vis de 50 Ohms
(plusieurs kOhms), les analyseurs de réseau perdent toute leur précision
et il est nécessaire d’utiliser des méthodes dérivées telles que la DPMM
utilisant un interféromètre entre l’analyseur de réseau et la pointe de
test. L’une des particularités des interféromètres est leur faible bande de
fréquence (quelques GHz)
Par conséquent, pour des mesures de composants fortes impédances au-delà de 50
GHz, aucune solution d’interférométrie n’existe avec de l’instrumentation extérieure à la
puce. Dans ces conditions, la caractérisation de composant haute impédance au-delà de
cette limite nécessite le développement d’interféromètre incluant les composants à tester.
Cette solution permettra d’optimiser des technologies nécessitant ce type d’analyse pour
viser les applications émergentes, le tout avec une perspective d’industrialisation simple de
ce type de mesure très complexe.
Description du sujet :
Le sujet a pour objectif d’apporter des éléments de réponses aux lacunes identifiées
sur le tableau ci-dessous, le tout avec une approche in situ de manière à s’affranchir de
l’instrumentation requise et non existante.
50-110GHz 110-325GHz >325GHz
Sources RF large bande externes ou in
situ
Synthétiseurs d'impédances externes
Non
Disponible
Synthétiseurs d'impédances in situ
Détecteur de signal forte dynamique
large bande
(mesures de bruit et de puissance)
externe ou in situ
Interféromètre (50 Ω versus kΩ)
Bancs de test académiques bande
étroite
Bancs de test académiques large bande
Disponible
Dans un premier temps, en s’appuyant sur la caractérisation petit signal large bande
jusque 325GHz des transistors considérés et mise en place par une précédente thèse, un
cahier des charges préliminaires sera établi pour les niveaux nécessaires des sources, les
impédances à gérer avec l’interféromètre, ainsi que pour les niveaux de détection à tenir
pour les mesures de bruit et de puissance.
Dans un second temps, des blocs prototypes pourront être réalisés pour chaque
partie du circuit test et associés à des transistors pour être mesurés sur les bancs de bruit
et de puissance en bande G avec instrumentation externe et mono fréquence développés
lors des trois dernières années de manière à qualifier l’approche in situ.
Enfin, le concept, présenté sur la figure 1, sera implémenté en large bande et au-delà
de 325 GHz ou l’instrumentation externe même en bande étroite n’existe pas.
Figure 1 : Banc de caractérisation millimétrique intégré sur silicium
Ce sujet s’inscrit dans la continuité, des travaux de recherches menés avec l’IEMN
sur la caractérisation comme illustré sur le graphe
grap ci-dessous.
Coordonnées du responsable :
Thomas QUEMERAIS
STMicroelectronics
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38926 Crolles Cedex
Tel: +33 4 38 92 36 02
Mail: [email protected]