關(guān)于太赫茲應(yīng)用下的高頻器件的性能分析和介紹

這次在杭州電子科技大學(xué)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(nèi)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(yīng)用下的高頻器件行為表征，希望給國內(nèi)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(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)基本上還是一個空白，其原因是在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究。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、通訊雷達(dá)、國家安全與反恐、等多個重要領(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)，無疑是又是其中最具成本優(yōu)勢的，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，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MMIC來實(shí)現(xiàn)，到2018年，基于第五代SiGe HBT工藝，僅需用1個MMIC即可實(shí)現(xiàn)完整功能。工藝的進(jìn)步，同時也推動SiGe BiCMOS技術(shù)在汽車?yán)走_(dá)市場的強(qiáng)勁增長。

在闡述了SiGe BiCMOS工藝應(yīng)用于THz領(lǐng)域的廣闊前景后，報告也對THz技術(shù)在成像、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了展示，并給出了目前報道最高的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)計的應(yīng)用，精確的測試和去嵌/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個方面，對幾類校準(zhǔn)方法進(jìn)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o(hù)pen/short 去嵌結(jié)構(gòu)，把金屬層之間的電容去除，對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)計在ISS基片上的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，和真實(shí)情況存在差異，同時也限制了校準(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試結(jié)構(gòu)時，又存在同樣的問題。

報告建議能采用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)際案例來看，片內(nèi)的TRL（校準(zhǔn)和去嵌入同時實(shí)現(xiàn)）和SOLT（校準(zhǔn)）+OS（去嵌）對同一個測試結(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)，則主要是測試結(jié)構(gòu)占據(jù)的面積過大（需要使用長、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)基于長短線的TRL校準(zhǔn)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(shí)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(huán)境參數(shù)和實(shí)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%。

解決這個問題一個比較好的方法，是采用蜿蜒的Line設(shè)計方式，保持信號PAD間距和實(shí)際測試結(jié)構(gòu)一致，用彎折的方式設(shè)計Line、并實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍內(nèi)的50 Ohm阻抗。報告中給出的結(jié)果，也很好的驗證了這一結(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)

報告在最后展示了非常漂亮的數(shù)據(jù)，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(jié)，也對國內(nèi)太赫茲測試這塊有借鑒意義：