Shift registers featuring radiation-hardening-by-design (RHBD) techniques are realized in IBM 8HP SiGe BiCMOS technology. Both circuit and device-level RHBD techniques are employed to improve the overall SEU immunity of the shift registers. Circuit-level RHBD techniques include dual-interleaving and gated-feedback that achieve SEU mitigation through local latch-level redundancy and correction. In addition, register-level RHBD based on triple-module redundancy (TMR) versions of dual-interleaved and gated-feedback cell shift registers is also realized to gauge the performance improvement offered by TMR. At the device-level, RHBD C-B-E SiGe HBTs with single collector and base contacts and significantly smaller deep trench-enclosed area than standard C-B-E-B-C devices with dual collector and base contacts are used to reduce the upset sensitive area. The SEU performance of these shift registers was then tested using heavy ions and standard bit-error testing methods. The results obtained are compared to the unhardened standard shift register designed with CBEBC SiGe HBTs. The RHBD-enhanced shift registers perform significantly better than the unhardened circuit, with the TMR technique proving very effective in achieving significant SEU immunity

We present the first measurement results for silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) and SiGe BiCMOS circuits operating in the sub-1-K regime. Robust transistor operation of a first-generation 0.5 times 2.5 times 4-mum 2 SiGe transistor is demonstrated at package temperatures as low as 300 mK. In addition, a SiGe BiCMOS bandgap voltage reference is verified to be fully functional at operating temperatures below 700 mK. The SiGe voltage reference exhibits a temperature coefficient of 160 ppm/degC over the temperature range of 700 mK-300 K.

We investigate the single-event transient (SET) response of bandgap voltage references (BGRs) implemented in SiGe BiCMOS technology through heavy ion microbeam experiments. The SiGe BGR circuit is used to provide the input reference voltage to a voltage regulator. SiGe HBTs in the BGR circuit are struck with 36-MeV oxygen ions, and the subsequent transient responses are captured at the output of the regulator. Sensitive devices responsible for generating transients with large peak magnitudes (more than 5% of the dc output voltage) are identified. To determine the effectiveness of a transistor-layout-based radiation hardened by design (RHBD) technique with respect to immunity to SETs at the circuit level, the BGR circuit implemented with HBTs surrounded by an alternate reverse-biased pn junction (n-ring RHBD) is also bombarded with oxygen ions, and subsequent SETs are captured. Experimental results indicate that the number of events causing transients with peak magnitude more than 5% above the dc level have been reduced in the RHBD version; however, with the inclusion of the n-ring RHBD, new locations for the occurrence of transients (albeit with smaller peak magnitude) are created. Transients at the transistor-level are also independently captured and are presented. It is demonstrated that while the transients are short at the transistor level (ns duration), relatively long transients are obtained at the circuit level (hundreds of nanoseconds). In addition, the impact of the SET response of the BGR on the performance of an ultra-high-speed 3-bit SiGe analog-to-digital converter (ADC) is investigated through simulation. It is shown that ion-induced transients in the reference voltage could eventually lead to data corruption at the output of the ADC.

We investigate the reliability issues associated with the application of CMOS devices contained within an advanced SiGe HBT BiCMOS technology to emerging cryogenic space electronics (e.g., down to 43 K, for Lunar missions). Reduced temperature operation improves CMOS device performance (e.g., transconductance, carrier mobility, subthreshold swing, and output current drive), as expected. However, operation at cryogenic temperatures also causes serious device reliability concerns, since it aggravates hot-carrier effects, effectively decreasing the inferred device lifetime significantly, especially at short gate lengths. In the paper, hot-carrier effects are demonstrated to be a stronger function of the device gate length than the temperature, suggesting that significant trade-offs between the gate length and the operational temperature must be made in order to ensure safe and reliable operation over typical projected mission lifetimes in these hostile environments.

This paper presents an investigation of the impact of single-event transients (SETs) and total ionization dose (TID) on precision voltage reference circuits designed in a fourth-generation, 90-nm SiGe BiCMOS technology. A first-order uncompensated bandgap reference (BGR) circuit is used to benchmark the SET and TID responses of these voltage reference circuits (VRCs). Based on the first-order BGR radiation response, new circuit-level radiation-hardening-by-design (RHBD) techniques are proposed. An RHBD technique using inverse-mode (IM) transistors is demonstrated in a BGR circuit. In addition, a PIN diode VRC is presented as a potential SET and TID tolerant, circuit-level RHBD alternative.

A comprehensive investigation of the effects of proton irradiation on the performance of SiGe BiCMOS precision voltage references intended for extreme environment operational conditions is presented. The voltage reference circuits were designed in two distinct SiGe BiCMOS technology platforms (first generation (50 GHz) and third generation (200 GHz)) in order to investigate the effect of technology scaling. The circuits were irradiated at both room temperature and at 77 K. Measurement results from the experiments indicate that the proton-induced changes in the SiGe bandgap references are minor, even down to cryogenic temperatures, clearly good news for the potential application of SiGe mixed-signal circuits in emerging extreme environments

We investigate, for the first time, the design and implementation of a high-slew rate op-amp in SiGe BiCMOS technology capable of operation across very wide temperature ranges, and down to deep cryogenic temperatures. We achieve the first monolithic op-amp (for any material system) capable of operating reliably down to 4.3 K. Two variants of the SiGe BiCMOS op-amp were implemented using alternative biasing schemes, and the effects of temperature on these biasing schemes, and their impact on the overall op-amp performance, is investigated.

We present the first investigation of the optimal implementation of SiGe BiCMOS precision voltage references for extreme temperature range applications (+120 degC to -180 degC and below). We have developed and fabricated two unique Ge profiles optimized specifically for cryogenic operation, and for the first time compare the impact of Ge profile shape on precision voltage reference performance down to -180 degC. Our best case reference achieves a 28.1 ppm/ degC temperature coefficient over +27 degC to -180 degC, more than adequate for the intended lunar electronics applications

A comprehensive investigation of the performance dependencies of irradiated SiGe precision voltage reference circuits on (1) total ionizing dose (TID), (2) circuit topology, and (3) radiation source is presented. Two different bandgap voltage references were designed using a first-generation (50-GHz) SiGe BiCMOS technology platform, and subsequently exposed to X-rays at doses of 1080 krad(SiO 2 ) and 5400 krad(SiO 2 ). The degradation in circuit performance following X-ray irradiation depends on both the TID level and the chosen circuit topology. Measurement results show that large TID levels can significantly shift the magnitude of the output voltage. Explanations for the observed shifts are provided by utilizing detailed analyses of the two circuit topologies and considering device-to-circuit interactions. The primary factor responsible for the difference in the circuit response before and after irradiation can be attributed to the excess base leakage current in the SiGe HBT. To investigate the impact of radiation source, the circuit topology showing the worst-case degradation from the X-ray experiment was independently exposed to 63-MeV protons at the same effective TID level. A clear source dependence in the circuit response was observed, and possible origins of this behavior are identified.

Single-event transients (SETs) are modeled in a SiGe voltage reference using compact model and full 3-D mixed-mode TCAD simulations. The effect of bias dependence and circuit loading on device-level transients is examined with regard to the voltage reference circuit. The circuit SET simulation approaches are benchmarked against measured data to assess their effectiveness in accurate modeling of SET in SiGe analog circuits. The mechanisms driving the SET of this voltage reference are then identified for the first time and traced back to the original device transients. These results enable the differences between the simulation results to be explained, providing new insight into best practices for the modeling circuit SET in different circuit topologies and device technologies.