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關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

弘模半導體 ? 來源:djl ? 2019-09-08 11:31 ? 次閱讀

這次在杭州電子科技大學舉辦的2017 MOS-AK 器件模型國際會議帶來了很多高頻方面的報告分享,比如法國UMS,國內的海威華芯等,在這里我們解讀一篇來自于法國IMS-LAB報告,主題是在太赫茲應用下的高頻器件行為表征,希望給國內作類似項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,太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經非常成熟,但是太赫茲技術基本上還是一個空白,其原因是在此頻段上,既不完全適合用光學理論來處理,也不完全適合微波的理論來研究。隨著THz技術的發展,它在物理、化學、電子信息、生命科學、材料科學、天文學、大氣與環境監測、通訊雷達、國家安全與反恐、等多個重要領域具有的獨特優越性和巨大的應用前景逐漸顯露。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

采用固態電路、尤其是集成電路技術實現太赫茲應用,無疑是THz技術走向產業化應用的最佳技術渠道;從成本角度而言,Si基固態電路技術,無疑是又是其中最具成本優勢的,雖然性能上相比III/V工藝實現的THz電路要差一些。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

歐洲自1995年代以來,在SiGe HBT技術上持續投入,如今已經進入第5代、0.7 THz SiGe HBT技術時代,使其在THz電子應用中展露頭角,其中典型的應用就是汽車防撞雷達。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

0.7 THz SiGeHBT 技術的開發,給汽車雷達傳感器帶來的影響是不言而喻的,2010年基于GaAs工藝實現,需要采用7-8顆MMIC,2014年采用第四代SiGeHBT 技術,已經可以將芯片數量減少到2個MMIC來實現,到2018年,基于第五代SiGe HBT工藝,僅需用1個MMIC即可實現完整功能。工藝的進步,同時也推動SiGe BiCMOS技術在汽車雷達市場的強勁增長。

在闡述了SiGe BiCMOS工藝應用于THz領域的廣闊前景后,報告也對THz技術在成像、通信等領域的應用優勢進行了展示,并給出了目前報道最高的IHP SiGe HBT器件頻率特性,Fmax達到700GHz、Ft在400GHz左右。SiGe HBT工藝面向THz電路設計的應用,精確的測試和去嵌/校準方法開發,變得非常關鍵。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

第二部分:片內和片外校準的區別和片內校準必要性

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

1. Off-Wafer校準方法:報告首先回顧了目前常見幾種片外校準方法,從是否建立在直接解析分析基礎上,校準結構是否尺寸固定(寬度)、以及寬頻段3個方面,對幾類校準方法進行了對比。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PAD OPEN,去除RF PAD的電容B:通過PAD SHORT,去除PAD連接線的電感C: 通過徹底open/short 去嵌結構,把金屬層之間的電容去除,對比不同步驟下的去嵌結果,完整去嵌入具有更好的精度。

2. On-wafer 校準: 無論III/V器件襯底或是Si襯底器件的襯底特性和ISS校準件襯底特性,都不一樣;采用設計在ISS基片上的校準結構對系統進行校準,和真實情況存在差異,同時也限制了校準參考面的定位(我們需要的是到器件-PAD互聯結構連接處),但片外校準參考面通常只是到探針-PAD接觸點。再輔以其他去嵌入測試結構時,又存在同樣的問題。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

報告建議能采用TRL的方法+完整的OPEN/SHORT去嵌入結構的復合應用,來實現精確的校準和去嵌應用。從給出的實際案例來看,片內的TRL(校準和去嵌入同時實現)和SOLT(校準)+OS(去嵌)對同一個測試結構,最終實現的精度,除了在低頻約10GHz范圍內有一定的差別,在10GHz以上,二者幾乎重合;整體誤差也小于3%。

基于TRL的校準和基于SOLT的方法,二者能達到對等精度情況下,前者有更少的校準結構需求(意味著由壓針、接觸等引入的誤差源減少),SOLT則需要更多/復雜的分析步驟(誤差源增加);TRL的弱點,則主要是測試結構占據的面積過大(需要使用長、短不同的Line,實現在不同頻段范圍內的50 Ohm阻抗效果)。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

傳統基于長短線的TRL校準件,引起的測試問題還存在于由于Line太長,通常需要把探針間距拉到和線匹配、此時探針之間的間距和實際器件測試時的間距相差很大,這在100GHz以上的測試中,由于空氣、針之間的耦合等環境參數和實際測試使用距離不匹配,引起大的誤差,在140GHz以上,這個誤差可以很輕松的高于10%、甚至100%。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

解決這個問題一個比較好的方法,是采用蜿蜒的Line設計方式,保持信號PAD間距和實際測試結構一致,用彎折的方式設計Line、并實現寬頻率范圍內的50 Ohm阻抗。報告中給出的結果,也很好的驗證了這一結構的實用性和精度。

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

3. 3D-TRL:一種比較新穎的方法,也給大家一個非常好的提示和參考意義,也顯示了3D 的魅力:-)

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

第三部分: 總結

報告在最后展示了非常漂亮的數據,由于保密問題,不能和大家分享,最后報告作了非常干練的總結,也對國內太赫茲測試這塊有借鑒意義:

關于太赫茲應用下的高頻器件的性能分析和介紹

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