亚太赫兹频率下的片上特性分析

对比 6G 的无线电性能要求和使用高频传播信号带来的所有限制，毫米波 (mmWave) 或 THz 电路非常需要功率和效率更大的更高吞吐量。这些射频电路的性能受限于晶体管和其他有源设备的性能。考虑到晶体管在这些频率下的物理限制，可用的最大输出功率会显著降低。因此，需要充分了解半导体器件在高频应用中的射频特性。在驱动应用中，为新的半导体设备在不同操作条件和宽频率范围下准确建模变得非常重要。

需要大动态范围对毫米波设备进行特性分析的时候，我们的合作伙伴 MPI Corporation 提供的在片测量系统结合我们的矢量网络分析仪进行射频特性测试，是一种优选方案。辅以负载牵引方法，完善了新半导体器件的特性测试。

您的任务

新的通信标准和技术在更高的频率范围寻找可用的开放射频频谱。未来的雷达传感器或诸如 6G 的无线系统预计将使用 100 GHz 以上的频率，这些频率也被称亚太赫兹（sub-THz）频率。这些频段之前未用于商业应用，因此需要开发新的半导体技术，以保证成本效益并可实现量产。目前，正在针对高频范围内的不同应用优化现有的半导体技术，同时也在研究新技术。一些半导体技术已经能够支持这些频率范围，但成本和量产问题仍有待解决。
研究人员和工程师正在研究亚太赫兹频率范围内半导体技术的射频功能。目前已有可靠稳定的研究方法可用。例如，直接使用合适的晶圆探针台系统进行片上测试。S 参数常用于器件特性测量。为了保证多方位分析有源器件特性，需要使用负载牵引方法来控制和设置呈现给设备的阻抗。

罗德与施瓦茨联合 MPI Corporation 与 Focus Microwaves 提供完整的 sub-THz 和 THz 晶圆上负载牵引系统

为了提供完整的交钥匙解决方案，罗德与施瓦茨与行业领导者 MPI Corporation 和 Focus Microwaves 展开密切合作。三位合作伙伴提供自己的核心产品：

• 罗德与施瓦茨提供 R&S®ZNA 矢量网络分析仪
• Focus Microwaves 提供负载牵引调谐器和系统软件，并控制测试目标的阻抗
• MPI 提供先进的探针台和重要的硬件集成，确保流畅的系统操作
• MPI 负责在支持自动阻抗调谐器 (AIT) 应用的专用探针系统平台上集成上述仪器。该系统包含射频探针、校准基片和集成射频校准软件 QAlibria^®的探针系统操作套件 SENTIO^®

矢量网络分析仪 (VNA) 是核心测试仪器

测试装置中的 R&S®ZNA 矢量网络分析仪是进行射频测量的核心仪器。分析仪能够执行标准 S 参数表征，还可用于许多专门的功率放大器 (PA) 或混频器测量，例如增益压缩、互调和群延时测量。R&S®ZNA 基本单元支持最高 67 GHz 频率，提供多达 4 个端口。R&S®ZCxxx 毫米波变频器将频段扩展到 1.1 THz，并支持四端口应用。R&S®ZNA 全面控制变频器，可以轻松进行手动或自动操作。

连接晶圆的探针系统

sub-THz 频率范围内的片上测试有着非常严格的要求，这款联合解决方案运用 MPI Corporation 的专用探针系统平台 AIT，以保证符合测量要求。该系统平台专用于 150 mm、200 mm 和 300 mm 片上测量，同时不会影响仪器特性、测量精度和操作简易性。解决方案提供 1 THz 和更高的频率范围，还可执行超温表征。

专用扩频器适配 (FEAD) 结合探针压板的独特设计，尽可能缩短了扩频器端口和被测设备 (DUT) 之间的距离。夹具将变频器固定在靠近晶圆的位置，尽可能提高提供给被测设备的功率，并保证设备的输入和输出测量具有非常宽的动态范围。创新的 QAlibria^®校准软件和经过验证的校准基片提供符合行业标准的先进校准方法，还可与 NIST StatistiCAL 软件包结合提供计量级 NIST 多线直通-反射-传输线 (TRL) 校准。

MPI TS200-THZ 手动探针系统和 MPI TS2000-IFE THZ-Selection 自动探针系统的核心原理相同。二者均集成精密定位器和精心设计的压板，能够在晶圆上测量过程中提供出色的性能。手动探针系统能够实现准确的晶圆定位，确保变频器靠近晶圆，保证准确对准和接触到被测设备。这种设计能够尽可能减少信号损耗和机械碰撞，增强提供给被测设备 (DUT) 的功率，和负载牵引一样成为 sub-THz 应用的基础特点。

自动化系统 MPI TS2000-IFE THZ-Selection 和手动系统一样，集成了精心设计的先进压板和精密定位器。该系统提供稳定可控的测量条件，这在可靠且可重复的 sub-THz 测量中非常重要。自动化系统采用 MPI 的创新扩频器集成设计，确保信号传输不会中断，支持高精度射频、毫米波和太赫兹测量。

精心设计的手动和自动系统能够用于最大 300 mm 的不同尺寸晶圆，是适合多种半导体应用的多功能解决方案。研究人员和工程师能够利用这些先进系统探索高频半导体技术，并进行准确、可重复的片上特性分析。

MPI 系统还具有另一种独特功能，可以支持高达 THz 范围的三端口测量。借助该功能，系统能够同时耦合毫米波和本振 (LO) 端口进行宽带次谐波混频器测试。

负载牵引和阻抗变换

完整的设备表征需要利用负载和源牵引。这种方法保证为半导体被测设备提供规定的负载，并在不同的源和负载匹配条件下表征 DUT。负载牵引技术用途广泛，例如重要的设备建模，还可以确定功率放大器等有源设备的最大效率行为。有源器件的最大输出功率或功率附加效率特性在很大程度上取决于施加的阻抗。此外，测试仪器通常设计用于 50 Ω 环境。然而，片上有源器件的阻抗与此相差甚多。进行晶圆级测试时，通常会使用阻抗调谐器确保阻抗匹配。

为了提供完整解决方案，罗德与施瓦茨心仪合作伙伴 Focus Microwaves 的 Delta 调谐器。Focus Microwaves 推出的全新 Delta 系列机电调谐器专用于高频晶圆上测量。调谐器非常轻巧，能够靠近晶圆，让探针前端和调谐器直接接触，消除了 DUT 和调谐器之间可能产生的任何插入损耗。这种创新设计显著降低了新调谐器的尺寸和重量，为工程师提供了出色的调谐范围。Focus Microwaves 提供各种各样的 Delta 阻抗谐波调谐器，涵盖 1.8 GHz 至 110 GHz 的频率范围。

Focus 融合 Delta 调谐器的先进技术与小型调谐器的微米级精度和可重复性，开发出全新系列的波导调谐器，专用于 110 GHz 以上的频率范围。Focus Microwaves 的小型波导调谐器结合先进的晶圆上集成，能够直接连接到 sub-THz 波导探针，提供最大调谐范围。结合用于输入和输出行波波形 (a_1,2, b_1,2) 测量的内置反射计和 R&S®ZRXxxxL 接收机，sub-THz 调谐器可用于充分校准的矢量负载牵引测量。这种方法也可轻松适配常用于为无源负载牵引系统增加调谐范围的混合技术。

应用

VNA 和探针台组成的基础系统可用于射频设备的晶圆上测量。MPI Corporation 提供多种探针，包括频率高达 110 GHz 的单端探针和用于高级偏置的多触点探针。

研究人员集成射频变频器和专用的 MPI 波导探针，能够将测量扩展到更高的频率，涵盖整个 THz 范围。他们可以探索热门的 D 频段和高达 330 GHz 的频率，二者对于 6G 活动和 6G 应用都非常重要。这种全面的频率范围支持研究人员和工程师准确表征半导体设备，助力推动下一代通信技术的发展。

所有 VNA 测量都需要校准系统，整个校准流程可以分为两步：

1. 使用 MPI 校准解决方案和配套软件校准片上系统、VNA 和变频器。有关详细信息，参阅 MPI 应用指南《简化太赫兹测量》(www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf)。

2. 校准系统中的负载牵引调谐器。此校准使用 Focus Microwaves 软件。
完成校准后，Focus Microwaves 软件可用作系统软件。该软件能够使用调谐器控制施加的阻抗，还可以控制 R&S®ZNA 在设备表征任务中执行射频测量。
MPI 探针台确保准确定位，提供稳定的测试条件。除此之外，在晶圆 DUT 周围的探针台内部使用冷板和可控气流，可以在操作过程中冷却 DUT。

总结

通信和传感应用发展到了 THz 频率范围，需要优化半导体材料。罗德与施瓦茨、MPI Corporation 与 Focus Microwaves 携手提供联合解决方案，可用于 sub-THz 和 THz 晶圆上测量。该解决方案包含矢量网络分析仪、探针系统和阻抗调谐器，能够在 THz 频率范围内可靠准确地分析半导体设备特性。三位行业领导者共同推动开发创新技术，释放出高频通信和传感应用的新潜力。

详细的方框图和显示可实现阻抗调谐范围的史密斯圆图

下图显示了 D 频段矢量负载牵引装置，其中的小型波导调谐器能够直接连接到射频探针，并集成可选的双向耦合器。双向耦合器可用于连接外部下变频器，以便直接测量 DUT 输入和输出的正向和反向行波。

阻抗调谐范围

下图显示了 Focus D 频段 WR06 调谐器在 170 GHz 频率下在调谐器参考面上的阻抗调谐范围。图中显示，在调谐器平面上 VSWR 可轻松达到 16:1。调谐器在整个频段中保持非常平坦的 VSWR 响应。
(©Focus Microwaves)