THz Schaltungen und Systeme in ultra-schnellen SiGe HBT Technologien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt untersuchte das Potenzial der weltweit schnellsten experimentellen SiGe-HBT- Technologieentwicklung in dem Frequenzbereich, der derzeit den III-V-Technologien vorbehalten ist. Da zu Beginn des Projekts jegliche Art von Verifizierung und Bewertung integrierter Schaltungen und deren Modelle bei THz-Frequenzen fehlte, mussten in allen wissenschaftlichen Disziplinen, die für die endgültige Modell-Hardware-Korrelation verantwortlich sind, erhebliche Anstrengungen unternommen werden. Diese Disziplinen umfassen die Modellierung von Transistoren, die Simulationsmethodik und Messtechniken. Alle diese Aspekte wurden detailliert analysiert, um ihre Auswirkungen auf die gemessene Leistung verschiedener breitbandiger Schaltungsblöcke und Subsysteme zu verstehen, damit THz-spezifische Entwurfstechniken definiert werden können, die über den derzeitigen Stand der Technik hinausgehen. Insbesondere wurden die nichtlinearen frequenzabhängigen Großsignal- und Rauschmodelle der Transistoren, die nicht nur im vorwärts-aktiven Bereich bei höchster Geschwindigkeit arbeiten, auch für verschiedene Arbeitspunkte untersucht. Mit Hilfe von 3D-EM-Simulationen wurden neue Layouts der wichtigsten Schaltungsblöcke entwickelt, was zu einer erheblich verbesserten Modell Hardware-Korrelation bei THz-Frequenzen führte. Darüber hinaus wurde ein innovativer Ansatz für das Design von passiven Bauelementen auf dem Chip mit Hilfe von asymmetrischen, breitseitig gekoppelten Leitungen angewandt, um Schaltungsblöcke, einschließlich LNAs und PAs, mit einer absoluten Bandbreite von über 100 GHz zu demonstrieren. Auf der Subsystemebene wurden der Raumtemperaturbetrieb von THz-Leistungsdetektoren und D-J-Band- Radiometern mit einer für die passive Bildgebung geeigneten Empfindlichkeit erstmals nachgewiesen. Der höchste Grad an Schaltkreiskomplexität wurde mit dem Entwurf des kompletten Polarisations- MIMO-Direktumwandlungs-IQ-TX/RX-Chipsatzes erreicht, der im Bereich von 240 bis 300 GHz arbeitet und dessen grundlegende HF-Leistung in einer Freiraum-Sichtlinienkonfiguration verifiziert wurde. Die Schaltkreise wurden mit einer neuen, am IHP entwickelten 130-nm-SiGe-BiCMOS Technologie hergestellt. Diese Technologie bietet HBTs mit ft von 470 GHz und fmax von 650 GHz und übertrifft damit die Geschwindigeit aller bisher verfügbaren BiCMOS-Prozesse. Die Herstellung integrierter Schaltungen für eine breite Palette von Anwendungen im Rahmen dieses Projekts erleichterte die Modell-Hardware-Korrelation der Technologieentwicklung und unterstützte so die Entwicklung präziser kompakter Modelle sowie die Definition von Prozessspezifikationen, die für künftige Anwendungen bis in den THz-Bereich am besten geeignet sind. Die im Rahmen des Projekts erzielten Ergebnisse zeigen das Potenzial der SiGe-HBT Technologie als zukünftige Plattform für die Integration von THz-Schaltungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A 239–298 GHz Power Amplifier in an Advanced 130 nm SiGe BiCMOS Technology for Communications Applications. ESSCIRC 2021 - IEEE 47th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), 369-372. IEEE.
Bucher, Thomas; Grzyb, Janusz; Hillger, Philipp; Rucker, Holger; Heinemann, Bernd & Pfeiffer, Ullrich R.
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A Broadband 300 GHz Power Amplifier in a 130 nm SiGe BiCMOS Technology for Communication Applications. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 57(7), 2024-2034.
Bucher, Thomas; Grzyb, Janusz; Hillger, Philipp; Rucker, Holger; Heinemann, Bernd & Pfeiffer, Ullrich R.
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Broadband Modeling, Analysis, and Characterization of SiGe HBT Terahertz Direct Detectors. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 70(2), 1314-1333.
Andree, Marcel; Grzyb, Janusz; Jain, Ritesh; Heinemann, Bernd & Pfeiffer, Ullrich R.
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A Balun-Integrated On-Chip Differential Pad for Full/Multi-Band mmWave/THz Measurements. 2023 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2023, 186-189. IEEE.
Grzyb, J.; Andree, M.; Hillger, P.; Bücher, T. & Pfeiffer, U. R.
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A Broadband Dual-Polarized Low-NEP SiGe HBT Terahertz Direct Detector for Polarization-Sensitive Imaging. 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
Andree, Marcel; Jagtap, Vishal; Grzyb, Janusz & Pfeiffer, Ullrich
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A D-Band to J-Band Low-Noise Amplifier with High Gain-Bandwidth Product in an Advanced 130 nm SiGe BiCMOS Technology. 2023 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 137-140. IEEE.
Andree, Marcel; Grzyb, Janusz; Heinemann, Bernd & Pfeiffer, Ullrich
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A Wideband W-Band Frequency Tripler With a Novel Mode-Selective Filter for High Harmonic Rejection. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 197-200. IEEE.
Chandra-Prabhu, Arjith; Grzyb, Janusz; Hillger, Philip; Heinemann, Bernd; Rücker, Holger & Pfeiffer, Ullrich
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On Cold Operation of an SiGe HBT as a Broadband Low-NEP THz Direct Detector. 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
Grzyb, J.; Andree, M.; Heinemann, B.; Rücker, H. & Pfeiffer, U. R.
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“Towards Real-Time Terahertz Passive Imaging in Silicon Technologies,” Ph.D. dissertation, University of Wuppertal
M. Andree
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A 300 GHz x9 Multiplier Chain With 9.6 dBm Output Power in 0.13-μm SiGe Technology. 2024 IEEE 24th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), 37-40. IEEE.
Prabhu, Arjith Chandra; Grzyb, Janusz; Hillger, Philipp; Bücher, Thomas; Rücker, Holger & Pfeiffer, Ullrich
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An On-Chip Antenna-Coupled Preamplified D-Band to J-Band Total Power Radiometer Chip in 130 nm SiGe BiCMOS Technology. 2024 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 359-362. IEEE.
Grzyb, Janusz; Andree, Marcel; Rücker, Holger & Pfeiffer, Ullrich
