Résumé :

Les gammes de fréquences millimétriques et Térahertz présentent des avantages pour de nombreuses applications tels que les systèmes de communication, les équipements médicaux ou les systèmes radars. Le développement de nouvelles technologies engage des processus longs de fabrication et de validation. Cette validation passe par la caractérisation hyperfréquence des composants en cours de développement. Ainsi, ces travaux de thèse ont été réalisés pour répondre à un besoin de caractérisation en puissance au-delà 110 GHz. De nombreux challenges sont à relevés, en particulier la génération de puissance, la détection de puissance sur une plage étendue ainsi que la synthèse d’impédances. De ce fait, une source de puissance semblable à l’architecture d’une tête d’extension d’un VNA est constituée off-wafer pour une utilisation pérenne et accessible à différentes technologies. Cette source est construite à partir de dispositifs commerciaux et offre jusque 22 dBm de puissance. Ensuite, des détecteurs sont utilisés pour mesurer l’amplitude des ondes de puissance incidentes, réfléchies et délivrées par le DUT. Une attention particulière est donnée aux étapes de calibrage au cours desquelles est mise en évidence la difficulté de la mesure scalaire aux fréquences millimétriques. La source de puissance et le système de détection sont complétés par un tuner d’impédance pour la réalisation des mesures load-pull. En pratique le tuner est placé à la sortie de la sonde RF de sortie mais les pertes de celle-ci augmentent avec la fréquence ce qui réduit considérablement le coefficient de réflexion du tuner. Pour cette raison, le tuner est intégré sur puce avec le DUT. Il est designé en technologie BiCMOS 55 nm laquelle est produite par STMicroelectronics. Contrairement aux tuners intégrés présentés dans la littérature, le nombre de tensions de control est volontaire minimisé afin d’envisager une mise en boitier pour une utilisation à long terme. En parallèle, un programme d’automatisation est mis en place pour améliorer la précision de mesure, effectuer le calcul des paramètres du composant et réduire le temps de mesure. Finalement, des mesures load-pull sont réalisées à 185 GHz sur un transistor bipolaire à hétérojonction en technologie BiCMOS 55 nm.

Abstract :

The millimeter and terahertz frequency ranges offer advantages for many applications such as communication systems, medical equipment or radar systems. The development of new technologies involves long manufacturing and validation processes. This validation requires the microwave characterization of the components under development. Thus, this thesis work was carried out to meet a need for characterization in power beyond 110 GHz. Many challenges are to be met, in particular power generation, power detection over an extended range and impedance synthesis. Therefore, a power source similar to the architecture of a VNA extension head is built off-wafer for a perennial use and accessible to different technologies. This source is built from commercial devices and offers up to 22 dBm of power. Then, detectors are used to measure the amplitude of the power waves incident, reflected and delivered by the DUT. Particular attention is given to the calibration steps during which the difficulty of scalar measurement at millimeter frequencies is highlighted. The power source and the detection system are completed by an impedance tuner for load-pull measurements. In practice, the tuner is placed at the output of the RF output probe but the losses of this one increase with the frequency which reduces considerably the reflection coefficient of the tuner. For this reason, the tuner is integrated on chip with the DUT. It is designed in 55 nm BiCMOS technology which is produced by STMicroelectronics. Contrary to the integrated tuners presented in the literature, the number of control voltages is voluntarily minimized in order to consider a long term use in a box. In parallel, an automation program is implemented to improve the measurement accuracy, to perform the calculation of the component parameters and to reduce the measurement time. Finally, load-pull measurements are performed at 185 GHz on a heterojunction bipolar transistor in 55 nm BiCMOS technology.