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Main Title: Signal generation for millimeter wave and THz applications in InP-DHBT and InP-on-BiCMOS technologies
Translated Title: Signalerzeugung für Millimeterwellen und THz Anwendungen in InP-DHBT und InP-on-BiCMOS Technologien
Author(s): Hossain, Muhammad Maruf
Advisor(s): Heinrich, Wolfgang
Referee(s): Gerfers, Friedel
Heinrich, Wolfgang
Weigel, Robert
Krozer, Viktor
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Increasing research activities in the mm-wave and sub-THz bands using different technologies have reached significant achievements over the past few years. A variety of commercial and defense applications are expected to be based on mm-wave and sub-Terahertz integrated circuits in the near future. Silicon-based technologies such as RF-CMOS and SiGe-BiCMOS have shown steady progress, but they are struggling to fulfill the demands due to their limitations in power-handling capability with increasing device speed. III-V technologies offer a higher potential in this regard, but do not allow high levels of integration. In order to move beyond silicon-based technologies while still providing high level of density and complexity, wafer level integration of III-V technologies has become highly interesting due to the overall benefit in terms of performances and complexities. Accordingly, this work focuses on MMIC signal sources in Transferred Substrate (TS) InP-DHBT technology and successful wafer-level circuit integration in InP-on-BiCMOS technology. It is divided in three major parts. In the first part, it presents 96 GHz and 197 GHz fundamental sources using a 0.8 µm InP TS-DHBT process, which deliver +9 dBm and 0 dBm output power with 25% and 4.6% overall DC-to-RF efficiency, respectively. The first part also comprises a 290 GHz harmonic oscillator, which exhibits -9.5 dBm output power and shows 0.5% overall DC-to-RF efficiency. Furthermore, it demonstrates 162 GHz and 270 GHz push-push sources utilizing InP TS-DHBTs on a BiCMOS process, which achieve -4.5 dBm and -9.5 dBm output power and combined overall DC-to-RF efficiencies of 1.5% and 0.4%, respectively. In the second part, multiplier-based signal sources are demonstrated. It presents a full G-band (140-220 GHz) frequency doubler, which delivers +8.2 dBm at 180 GHz and more than +5 dBm in the range 160-200 GHz as well as +2.5 dBm at 220 GHz. The doubler circuit exhibits a power efficiency of 16 % in this frequency range. Also, a 250 GHz single-ended frequency tripler is presented, with -4.4 dBm output power and 3% of DC-to-RF efficiency. The highest frequency is reached by a wideband 328 GHz quadrupler, which delivers -7 dBm output power at 325 GHz and exhibits 0.5 % DC-to-RF efficiency. The final part is devoted to hetero-integrated circuits and the necessary design considerations. Two 250 GHz and 330 GHz sources are demonstrated that deliver -1.6 dBm and -12 dBm output power, respectively. These are the first hetero-integrated signal sources in this frequency range reported so far.
Die Forschungsaktivitäten in den Millimeter-Wellen- und Sub-THz-Frequenzbändern nehmen stetig zu. Mit unterschiedlichen Technologien konnten in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt werden. Man kann davon ausgehen, daß in naher Zukunft eine Vielzahl von kommerziellen und militärischen Anwendungen auf integrierten Schaltkreisen im Millimeter-Wellen- und Sub-THz-Frequenzbereich beruhen wird. Auf Silizium basierende Technologien, wie RF-CMOS und SiGe-BiCMOS, entwickeln sich stetig weiter, unterliegen aber harten Einschränkungen in Bezug auf die erreichbare Maximalleistung bei den steigenden Einsatzfrequenzen. Diese Probleme lassen sich durch den Einsatz von III-V-Halbleiter-Technologien umgehen, wobei der erreichbare Integrationsgrad signifikant geringer ist. Die Heterointegration auf Wafer-Ebene erlaubt die Kombination der Vorteile beider Ansätze. Dabei werden beide Technologien in einem Halbleiter-Prozess verwendet, wodurch hohe Einsatzfrequenzen bei hoher Signalleistung und hoher Integrationsdichte realisierbar werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Signalquellen, die als integrierte Schaltungen in der Transfersubstrat (TS) InP-DHBT Technologie oder hetero-integriert in InP-on-BiCMOS-Technologie hergestellt wurden. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Im ersten Teil werden Signalquellen bei 96 GHz und 197 GHz vorgestellt. Diese wurden im InP-TS-DHBT-Prozess mit einer Emitterbreite von 0.8 µm gefertigt. Die Schaltungen liefern Ausgangsleistungen von 9 dBm und 0 dBm bei Effizienzen von 25 % und 4.6 %. Darüber hinaus wird ein 290 GHz Oszillator auf der dritten Harmonischen vorgestellt, welcher -9.5 dBm Ausgangsleistung bei einer Effizienz von 0.5 % liefert. Ferner werden zwei Push-Push-Quellen bei 162 GHz und 270 GHz aus dem InP-on-BiCMOS-Prozess gezeigt. Diese erreichen Ausgangsleistungen von -4.5 dBm und -9.5 dBm mit Effizienzen von 1.5 % und 0.4 %. Der zweite Teil der Arbeit beschäftig sich mit Signalquellen, die auf Frequenzvervielfachern basieren. Es wird ein Verdoppler für das gesamte G-Band (140 GHz bis 220 GHz) vorgestellt, welcher 8.2 dBm Ausgangsleistung bei 180 GHz und mehr als 5 dBm Ausgangsleistung von 160 GHz bis 220 GHz liefert. Bei 220 GHz wird noch eine Leistung von 2.5 dBm erreicht. Der Verdoppler arbeitet mit einer Leistungseffizienz von 16 %. Weiterhin wird ein Frequenzverdreifacher bei 250 GHz präsentiert. Dieser erreicht -4.4 dBm Ausgangsleistung und eine Effizienz von 3 %. Die höchste Ausgangsfrequenz wird mit einem breitbandigen Vervierfacher um 328 GHz erreicht. Dieser liefert 7 dBm bei 325 GHz mit einer Effizienz von 0.5 %. Der dritte Teil der Arbeit ist den heterointegrierten Schaltungen und der dafür erforderlichen Entwurfsmethodik, gewidmet. Zwei Quellen bei 250 GHz und 330 GHz mit Ausgangsleistungen von -1.6 dBm und -12 dBm werden vorgestellt. Dabei handelt es sich um die ersten heterointegrierten Signalquellen in diesen Frequenzbereichen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5851
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5450
Exam Date: 14-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 25-Aug-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): millimeter wave
THz
InP-DHBT
InP-on-BiCMOS
signal generation
Millimeterwellen
Signalerzeugung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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