关于太赫兹应用下的高频器件的性能分析和介绍

这次在杭州电子科技大学举办的2017 MOS-AK  器件模型国际会议带来了很多高频方面的报告分享，比如法国UMS，国内的海威华芯等，在这里我们解读一篇来自于法国IMS-LAB报告，主题是在太赫兹应用下的高频器件行为表征，希望给国内作类似项目和科研工作的朋友参考。

第一部分：工作背景

太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射， 从频率上看， 在无线电波和光波， 毫米波和红外线之间； 从能量上看， 在电子和光子之间，在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。随着THz技术的发展，它在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐、等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景逐渐显露。 

采用固态电路、尤其是集成电路技术实现太赫兹应用，无疑是THz技术走向产业化应用的最佳技术渠道；从成本角度而言，Si基固态电路技术，无疑是又是其中最具成本优势的，虽然性能上相比III/V工艺实现的THz电路要差一些。

欧洲自1995年代以来，在SiGe HBT技术上持续投入，如今已经进入第5代、0.7 THz SiGe HBT技术时代，使其在THz电子应用中展露头角，其中典型的应用就是汽车防撞雷达。

0.7 THz SiGe HBT 技术的开发，给汽车雷达传感器带来的影响是不言而喻的，2010年基于GaAs工艺实现，需要采用7-8颗MMIC，2014年采用第四代SiGe HBT 技术，已经可以将芯片数量减少到2个MMIC来实现，到2018年，基于第五代SiGe HBT工艺，仅需用1个MMIC即可实现完整功能。工艺的进步，同时也推动SiGe BiCMOS技术在汽车雷达市场的强劲增长。

在阐述了SiGe BiCMOS工艺应用于THz领域的广阔前景后，报告也对THz技术在成像、通信等领域的应用优势进行了展示，并给出了目前报道最高的IHP SiGe HBT器件频率特性，Fmax达到700GHz、Ft在400GHz左右。SiGe HBT工艺面向THz电路设计的应用，精确的测试和去嵌/校准方法开发，变得非常关键。

第二部分：片内和片外校准的区别和片内校准必要性

1. Off-Wafer校准方法：报告首先回顾了目前常见几种片外校准方法，从是否建立在直接解析分析基础上，校准结构是否尺寸固定（宽度）、以及宽频段3个方面，对几类校准方法进行了对比。并以SOLT为例（direct analytical solution, constant width, wide band)  ，分析了步骤的步骤，其主要目的是：A:通过 PAD OPEN，去除RF PAD的电容 B:通过PAD SHORT， 去除PAD连接线的电感 C: 通过彻底open/short 去嵌结构，把金属层之间的电容去除，对比不同步骤下的去嵌结果，完整去嵌入具有更好的精度。

2. On-wafer 校准: 无论III/V器件衬底或是Si衬底器件的衬底特性和ISS校准件衬底特性，都不一样；采用设计在ISS基片上的校准结构对系统进行校准，和真实情况存在差异，同时也限制了校准参考面的定位（我们需要的是到器件-PAD互联结构连接处），但片外校准参考面通常只是到探针-PAD接触点。再辅以其他去嵌入测试结构时，又存在同样的问题。

报告建议能采用TRL的方法+完整的OPEN/SHORT去嵌入结构的复合应用，来实现精确的校准和去嵌应用。从给出的实际案例来看，片内的TRL（校准和去嵌入同时实现）和SOLT（校准）+OS（去嵌）对同一个测试结构，最终实现的精度，除了在低频约10GHz范围内有一定的差别，在10GHz以上，二者几乎重合；整体误差也小于3%。

基于TRL的校准和基于SOLT的方法，二者能达到对等精度情况下，前者有更少的校准结构需求（意味着由压针、接触等引入的误差源减少），SOLT则需要更多/复杂的分析步骤（误差源增加）；TRL的弱点，则主要是测试结构占据的面积过大（需要使用长、短不同的Line，实现在不同频段范围内的50 Ohm阻抗效果）。

传统基于长短线的TRL校准件，引起的测试问题还存在于由于Line太长，通常需要把探针间距拉到和线匹配、此时探针之间的间距和实际器件测试时的间距相差很大，这在100GHz以上的测试中，由于空气、针之间的耦合等环境参数和实际测试使用距离不匹配，引起大的误差，在140GHz以上，这个误差可以很轻松的高于10%、甚至100%。

       解决这个问题一个比较好的方法，是采用蜿蜒的Line设计方式，保持信号PAD间距和实际测试结构一致，用弯折的方式设计Line、并实现宽频率范围内的50 Ohm阻抗。报告中给出的结果，也很好的验证了这一结构的实用性和精度。

3. 3D-TRL：一种比较新颖的方法，也给大家一个非常好的提示和参考意义，也显示了3D 的魅力:-)

第三部分： 总结

报告在最后展示了非常漂亮的数据，由于保密问题，不能和大家分享，最后报告作了非常干练的总结，也对国内太赫兹测试这块有借鉴意义：