Grâce aux nouvelles avancées des technologies industrielles BiCMOS SiGe, celles-ci se présentent comme très prometteuses pour les applications en bandes de fréquences millimétriques. Dans le cadre du projet TARANTO, l’IEMN a contribué à la démonstration des performances de la technologie BiCMOS 55nm de la société STMicroelectronics atteignant des fréquences de coupures
de 480GHz et 600 GHz respectivement, ainsi qu’à la conception et la caractérisation de circuits dans la bande 30-300 GHz
La bande de fréquence millimétrique, se situant entre 30 et 300 GHz, attire de plus en plus d’attention dans le milieu des circuits intégrées à état solide avec nombreuses applications. On trouve notamment des applications dans le milieu médical, sécurité ou encore télécom qui tirent parti de la résolution spatiale accrue ou de la largeur de bande fréquentielle dans cette gamme de fréquences.
Historiquement, les circuits pour les applications dans cette bande de fréquence ont été conçus à base des technologies III-V, car les technologies basées sur le silicium n’étaient pas capables de répondre en terme de facteur de bruit et puissance. Grâce aux efforts européens menés dans cette filière BiCMOS SiGe, cette technologie est aujourd’hui capable de répondre aux besoins dans la bande millimétrique.
Ce travail [1] a été menée au sein des équipes Puissance et THz de l’IEMN, dans le cadre du projet TARANTO qui regroupait plus de 30 partenaires européens de 6 pays différents. Dans [1], les principaux jalons de ce projet sont présentés, couvrant une large gamme de résultats, de la conception à la caractérisation de transistors à hétérojonction (HBTs), en passant par les circuits jusqu’aux systèmes complets de télécommunication.
Concernant les transistors, des fréquences de coupures 
de 320/370 GHz ont été mesurées sur la technologie commerciale BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics. Il est souligné que des performances bien meilleures ont été mesurées en terme de fréquences de coupures dans des technologies SiGe qui n’intègrent pas des transistors à effet de champ (CMOS) via le partenaire IHP (Leibniz Institute for High Performance Microelectronics). L’IEMN a été fortement présent dans la phase de caractérisation de ces transistors par le biais des mesures de puissance et bruit, qui ont été améliorées grâce à la conception de générateurs de bruit et tuners d’impédance intégrées aux composants à mesurer. Ces développements ont montré que non seulement cette technologie est capable de répondre aux besoins dans la bande de fréquence millimétrique avec des performances très prometteuses mais aussi que les outils et méthodes de caractérisation mises en œuvres au sein du laboratoire par les équipes Puissance et Photonique-THz en collaboration avec la plate-forme Centrale de Micro Nano Fabrication (CMNF) sont plus performants que des solutions off-chip grâce à la proximité physique des éléments de mesure avec le dispositif sous test.
Concernant les démonstrateurs, deux exemples peuvent être cités. Le premier, un mélangeur à conversion directe en bande W (91-100 GHz) avec +5 dB de gain de conversion. Ce mélangeur a comme particularité sa basse puissance consommée, qui s’élève à 21.8 mW. Le second, un quadrupler de fréquence actif. Ce dispositif présente une puissance de sortie de -26 dBm sur une très large gamme de fréquences comprises entre 120 et 160 GHz pour un gain de conversion de +4 dB.
Enfin, les modèles compacts développés pendant ce projet ont permis la conception de systèmes de télécommunication, tels qu’un démonstrateur intégrant des fonctions de multiplication de fréquence, de modulation I/Q, d’amplification de puissance, de mélange… Ces systèmes ont été intégrés sur un support type PCB (circuit imprimé) permettant de transmettre des signaux télécom à 140 GHz avec une puissance isotrope rayonnée équivalente (EIRP) de 27 dBm.
[1] T. Zimmer et al., « SiGe HBTs and BiCMOS Technology for Present and Future Millimeter-Wave Systems, » in IEEE Journal of Microwaves, vol. 1, no. 1, pp. 288-298, winter 2021, doi: 10.1109/JMW.2020.3031831.
