這次在杭州電子科技大學(xué)舉辦的2017 MOS-AK 器件模型國(guó)際會(huì)議帶來(lái)了很多高頻方面的報(bào)告分享,比如法國(guó)UMS,國(guó)內(nèi)的海威華芯等,在這里我們解讀一篇來(lái)自于法國(guó)IMS-LAB報(bào)告,主題是在太赫茲應(yīng)用下的高頻器件行為表征,希望給國(guó)內(nèi)作類似項(xiàng)目和科研工作的朋友參考。
第一部分:工作背景
太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射,從頻率上看,在無(wú)線電波和光波,毫米波和紅外線之間;從能量上看,在電子和光子之間,在電磁頻譜上,太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟,但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個(gè)空白,其原因是在此頻段上,既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理,也不完全適合微波的理論來(lái)研究。隨著THz技術(shù)的發(fā)展,它在物理、化學(xué)、電子信息、生命科學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、通訊雷達(dá)、國(guó)家安全與反恐、等多個(gè)重要領(lǐng)域具有的獨(dú)特優(yōu)越性和巨大的應(yīng)用前景逐漸顯露。
采用固態(tài)電路、尤其是集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲應(yīng)用,無(wú)疑是THz技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的最佳技術(shù)渠道;從成本角度而言,Si基固態(tài)電路技術(shù),無(wú)疑是又是其中最具成本優(yōu)勢(shì)的,雖然性能上相比III/V工藝實(shí)現(xiàn)的THz電路要差一些。
歐洲自1995年代以來(lái),在SiGe HBT技術(shù)上持續(xù)投入,如今已經(jīng)進(jìn)入第5代、0.7 THz SiGe HBT技術(shù)時(shí)代,使其在THz電子應(yīng)用中展露頭角,其中典型的應(yīng)用就是汽車防撞雷達(dá)。
0.7 THz SiGeHBT 技術(shù)的開發(fā),給汽車?yán)走_(dá)傳感器帶來(lái)的影響是不言而喻的,2010年基于GaAs工藝實(shí)現(xiàn),需要采用7-8顆MMIC,2014年采用第四代SiGeHBT 技術(shù),已經(jīng)可以將芯片數(shù)量減少到2個(gè)MMIC來(lái)實(shí)現(xiàn),到2018年,基于第五代SiGe HBT工藝,僅需用1個(gè)MMIC即可實(shí)現(xiàn)完整功能。工藝的進(jìn)步,同時(shí)也推動(dòng)SiGe BiCMOS技術(shù)在汽車?yán)走_(dá)市場(chǎng)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
在闡述了SiGe BiCMOS工藝應(yīng)用于THz領(lǐng)域的廣闊前景后,報(bào)告也對(duì)THz技術(shù)在成像、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了展示,并給出了目前報(bào)道最高的IHP SiGe HBT器件頻率特性,F(xiàn)max達(dá)到700GHz、Ft在400GHz左右。SiGe HBT工藝面向THz電路設(shè)計(jì)的應(yīng)用,精確的測(cè)試和去嵌/校準(zhǔn)方法開發(fā),變得非常關(guān)鍵。
第二部分:片內(nèi)和片外校準(zhǔn)的區(qū)別和片內(nèi)校準(zhǔn)必要性
1. Off-Wafer校準(zhǔn)方法:報(bào)告首先回顧了目前常見幾種片外校準(zhǔn)方法,從是否建立在直接解析分析基礎(chǔ)上,校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是否尺寸固定(寬度)、以及寬頻段3個(gè)方面,對(duì)幾類校準(zhǔn)方法進(jìn)行了對(duì)比。并以SOLT為例(direct analytical solution, constant width, wide band) ,分析了步驟的步驟,其主要目的是:A:通過(guò)PAD OPEN,去除RF PAD的電容B:通過(guò)PAD SHORT,去除PAD連接線的電感C: 通過(guò)徹底o(hù)pen/short 去嵌結(jié)構(gòu),把金屬層之間的電容去除,對(duì)比不同步驟下的去嵌結(jié)果,完整去嵌入具有更好的精度。
2. On-wafer 校準(zhǔn): 無(wú)論III/V器件襯底或是Si襯底器件的襯底特性和ISS校準(zhǔn)件襯底特性,都不一樣;采用設(shè)計(jì)在ISS基片上的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),和真實(shí)情況存在差異,同時(shí)也限制了校準(zhǔn)參考面的定位(我們需要的是到器件-PAD互聯(lián)結(jié)構(gòu)連接處),但片外校準(zhǔn)參考面通常只是到探針-PAD接觸點(diǎn)。再輔以其他去嵌入測(cè)試結(jié)構(gòu)時(shí),又存在同樣的問(wèn)題。
報(bào)告建議能采用TRL的方法+完整的OPEN/SHORT去嵌入結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)用,來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的校準(zhǔn)和去嵌應(yīng)用。從給出的實(shí)際案例來(lái)看,片內(nèi)的TRL(校準(zhǔn)和去嵌入同時(shí)實(shí)現(xiàn))和SOLT(校準(zhǔn))+OS(去嵌)對(duì)同一個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu),最終實(shí)現(xiàn)的精度,除了在低頻約10GHz范圍內(nèi)有一定的差別,在10GHz以上,二者幾乎重合;整體誤差也小于3%。
基于TRL的校準(zhǔn)和基于SOLT的方法,二者能達(dá)到對(duì)等精度情況下,前者有更少的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)需求(意味著由壓針、接觸等引入的誤差源減少),SOLT則需要更多/復(fù)雜的分析步驟(誤差源增加);TRL的弱點(diǎn),則主要是測(cè)試結(jié)構(gòu)占據(jù)的面積過(guò)大(需要使用長(zhǎng)、短不同的Line,實(shí)現(xiàn)在不同頻段范圍內(nèi)的50 Ohm阻抗效果)。
傳統(tǒng)基于長(zhǎng)短線的TRL校準(zhǔn)件,引起的測(cè)試問(wèn)題還存在于由于Line太長(zhǎng),通常需要把探針間距拉到和線匹配、此時(shí)探針之間的間距和實(shí)際器件測(cè)試時(shí)的間距相差很大,這在100GHz以上的測(cè)試中,由于空氣、針之間的耦合等環(huán)境參數(shù)和實(shí)際測(cè)試使用距離不匹配,引起大的誤差,在140GHz以上,這個(gè)誤差可以很輕松的高于10%、甚至100%。
解決這個(gè)問(wèn)題一個(gè)比較好的方法,是采用蜿蜒的Line設(shè)計(jì)方式,保持信號(hào)PAD間距和實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)一致,用彎折的方式設(shè)計(jì)Line、并實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍內(nèi)的50 Ohm阻抗。報(bào)告中給出的結(jié)果,也很好的驗(yàn)證了這一結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和精度。
3. 3D-TRL:一種比較新穎的方法,也給大家一個(gè)非常好的提示和參考意義,也顯示了3D 的魅力:-)
第三部分: 總結(jié)
報(bào)告在最后展示了非常漂亮的數(shù)據(jù),由于保密問(wèn)題,不能和大家分享,最后報(bào)告作了非常干練的總結(jié),也對(duì)國(guó)內(nèi)太赫茲測(cè)試這塊有借鑒意義:
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