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.

Device-level current transients are induced by injecting carriers using two-photon absorption from a subbandgap pulsed laser and recorded using wideband transmission and measurement equipment. These transients exhibit three distinct temporal trends that depend on laser pulse energy as well as the transverse and vertical charge generation location. The nature of the current transient is controlled by both the behavior of the subcollector-substrate junction and isolation biasing. However, substrate potential modulation, due to deformation of the subcollector-substrate depletion region, is the dominant mechanism affecting transient characteristics.

Silicon-germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) heavy ion-induced current transients are measured using Sandia National Laboratories' microbeam and high- and low-energy broadbeam sources at the Grand Acce¿le¿rateur National d'Ions Lourds, Caen, France, and the University of Jyva¿skyla¿, Finland. The data were captured using a custom broadband IC package and real-time digital phosphor oscilloscopes with at least 16 GHz of analog bandwidth. These data provide detailed insight into the effects of ion strike location, range, and LET.

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 report results on the cryogenic operation of two different monolithic X-band silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor low noise amplifiers (LNAs) implemented in a commercially-available 130 nm SiGe BiCMOS platform. These SiGe LNAs exhibit a dramatic reduction in noise temperature with cooling, yielding of less than 21 K (0.3 dB noise figure) across X-band at a 15 K operating temperature. To the authors' knowledge, these SiGe LNAs exhibit the lowest broadband noise of any Si-based LNA reported to date.

An 850 mW SiGe power amplifier operating at X-Band (8.5-10.5 GHz) frequencies with over 11 dB of gain and 18% PAE is presented. This SiGe PA was implemented in a commercially-available, third-generation 130 nm 200 GHz SiGe BiCMOS platform using a hybrid high-breakdown / high-speed cascode pair to enhance voltage swing.

The single-event effect sensitivity of inverse-mode biased SiGe HBTs in both bulk and SOI technology platforms are investigated, for the first time, using digital circuits and stand-alone device test structures. Comparisons of heavy-ion broad beam data of shift register circuits constructed with forward-mode and inverse-mode biased SiGe HBTs from a first-generation, complementary SOI SiGe BiCMOS process, reveal an improvement in SEU mitigation for the inverse-mode shift register architecture. Full 3D TCAD simulations highlight the differences in transient current origination between forward and inverse-mode biased devices, illustrating the impact of doping profiles on ion-induced shunt duration. To extend the analysis to a bulk platform, new fourth-generation npn , SiGe HBTs were biased in both the forward and inverse-mode and irradiated at NRL using the two photon absorption measurement system. These measurements support the analysis of transient origination using 3D TCAD simulations. Furthermore, the isolation of the output terminal from the sensitive subcollector-substrate junction is experimentally demonstrated for the inverse-mode bias. Fully coupled mixed-mode simulations predict a significant reduction in sensitive area for inverse-mode shift registers built in a bulk SiGe platform.

The total ionizing dose and laser-induced transient response of a new 4th generation 90 nm IBM SiGe 9HP technology are investigated. Total dose testing was performed with 63.3 MeV protons at the Crocker Nuclear Laboratory at the University of California, Davis. Transient testing was performed on the two-photon absorption system at Naval Research Laboratory. Results show that the SiGe HBTs are dose-tolerant up to 3 Mrad(SiO 2 ) and exhibit reduced single event transients compared to earlier SiGe generations.

The single-event effect sensitivity of fourth-generation, 90 nm SiGe HBTs is investigated. Inverse-mode, ≥1.0 Gbps SiGe digital logic using standard, unoptimized, fourth-generation SiGe HBTs is demonstrated and the inverse-mode shift register exhibited a reduction in bit-error cross section across all ion-strike LETs. Ion-strike simulations on dc calibrated, 3-D TCAD SiGe HBT models show a reduction in peak current transient magnitude and a reduction in overall transient duration for bulk SiGe HBTs operating in inverse mode. These improvements in device-level SETs are attributed to the electrical isolation of the physical emitter from the subcollector-substrate junction and the high doping in the SiGe HBT base and emitter, suggesting that SiGe BiCMOS technology scaling will drive further improvements in inverse-mode device and circuit-level SEE. Two-photon absorption experiments at NRL support the transient mechanisms described in the device-level TCAD simulations. Fully-coupled mixed-mode simulations predict large improvements in circuit-level SEU for inverse-mode SiGe HBTs in multi-Gbps, inverse-mode digital logic.

We investigate, for the first time, the potential for SEE mitigation of a newly-developed device architecture in a 3rd generation high-speed SiGe platform. This new device architecture is termed the ¿inverse-mode cascode SiGe HBT¿ and is comprised of two standard devices sharing a buried subcollector and operated in a cascode configuration. Verification of the TID immunity is demonstrated using 10 keV X-rays, while an investigation of the SEE susceptibility is performed using a 36 MeV 16 O ion. IBICC results show strong sensitivities to device bias with only marginal improvement when compared to a standard device; however, by providing a conductive path from the buried subcollector (C-Tap) to a voltage potential, almost all collected charge is induced on the C-Tap terminal instead of the collector terminal. These results are confirmed using full 3-D TCAD simulations which also provides insight into the physics of this new RHBD device architecture. The implications of biasing the C-Tap terminal in a circuit context are also addressed.