GaN HEMT小信號自動測試系統(tǒng)設(shè)計

馬杰+楊志虎+付興中+張力江+崔玉興

摘要：GaN HEMT器件在高頻和大功率通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在流片制造過程中，手動微波測試已不能滿足器件性能監(jiān)控的要求。本文在改進(jìn)傳統(tǒng)手動測試的基礎(chǔ)上，介紹了一種基于Agilent VEE語言來實現(xiàn)器件微波小信號自動測試系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)解決了器件自動測試、等效電路參數(shù)計算和數(shù)據(jù)存儲等問題，實現(xiàn)了整個測試過程自動化，大幅提升了測試效率。

關(guān)鍵詞：Agilent VEE；微波小信號測試；等效電路參數(shù)；自動測試系統(tǒng)

中圖分類號：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0194-02

Design of GaN HEMT Small-Signal Automatic Test System

Ma Jie， Yang Zhihu， Fu Xingzhong， Zhang Lijiang， Cui Yuxing

（The 13th Institute， CETC， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract：GaN HEMT has extensive application in high frequency and high power radio communications field. In the process flow device production， manual microwave test already can't meet the requirements of the performance monitoring. On the base to improve traditional manual measurement， this letter justly introduces a way to realize HEMT small-signal microwave automatic test system using Agilent VEE language. This system solves the automatic measurement， calculation of equivalent circuit parameters and data storage， realizes the full-automation of measurement and enormously speeds up the process.

Key Words：Agilent VEE； small-signal microwave test； equivalent circuit parameters； automatic test system

GaN HEMT器件不僅滿足高頻和大功率通信的要求，還具有優(yōu)良的預(yù)期可靠性壽命，是射頻通信領(lǐng)域功率放大器芯片的熱門研究方向[1-3]。GaN外延材料價格昂貴，為了防止出現(xiàn)批次報廢的情況，需要對流片生產(chǎn)過程進(jìn)行全面監(jiān)控。目前工藝線針對HEMT器件已有完整的直流自動測試方案， 但是微波測試仍停留在手動測試階段，存在以下問題：（1）測試操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理困難；（2）測試數(shù)量有限，數(shù)據(jù)無法反應(yīng)整個圓片分布。隨著流片數(shù)量增加，迫切需要進(jìn)行微波小信號自動測試。

本文通過VEE程序完成模塊控制和測試數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)器件小信號微波自動測試，能夠完全替代手動測試。測試數(shù)據(jù)自動保存，用戶可以隨時調(diào)閱和分析。圓片匯總數(shù)據(jù)與流片管理系統(tǒng)兼容，便于進(jìn)行SPC控制。

1 測試系統(tǒng)的組成

本測試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、程控電源、微波探針臺和測試計算機(jī)組成。在測試過程中，首先通過Agilent VEE程序?qū)y試儀器和探針臺發(fā)送命令，完成S參數(shù)測試，然后調(diào)用Matlab程序進(jìn)行矩陣運算，獲取器件的小信號微波等效電路參數(shù)，最后控制Excel軟件完成數(shù)據(jù)存儲。

1.1 硬件部分

本測試系統(tǒng)采用基于虛擬儀器的模塊化解決思路，即通過GPIB通信總線進(jìn)行模塊控制和測試數(shù)據(jù)采集[4]。測試系統(tǒng)硬件連接如圖1所示，圖中細(xì)實線表示的是直流通路，粗實線表示的是微波通路，虛線表示的是控制通路。在整個系統(tǒng)連接中，儀器和設(shè)備都可以看做一個獨立的模塊，通過不同模塊在時序上的串聯(lián)，可以實現(xiàn)不同的測試流程。

1.2 軟件部分

1.2.1 軟件平臺

目前，虛擬儀器編程開發(fā)主要有Agilent VEE與Ni LabVIEW兩個平臺[5-7]。本系統(tǒng)采用的測試儀器與VEE平臺具有良好的兼容性，因此本系統(tǒng)采用VEE平臺進(jìn)行測試程序編寫。VEE是一個開放的可視化編程平臺，測試流程可以逐級分解為模塊、步驟、小步和單個命令，所有命令都可以在相應(yīng)的編程手冊獲得。

1.2.2 測試流程

自動測試流程如圖2所示，主要包括探針臺控制、直流偏置輸出、S參數(shù)測試和數(shù)據(jù)處理。其中，數(shù)據(jù)處理過程又包括S參數(shù)存儲、Matlab計算等效參數(shù)和匯總數(shù)據(jù)存儲。測試過程中每個圓片自動生成一個數(shù)據(jù)文件夾。

（1）探針臺移動。探針臺程序控制移動和壓針是自動測試的前提。本系統(tǒng)使用的半自動探針臺可以通過程序控制，按照編輯好的測試Map進(jìn)行逐個Die測試。對于復(fù)雜版圖則可以采用Subsite方式進(jìn)行測試。

（2）直流偏置加電。半導(dǎo)體直流參數(shù)分析儀可以支持多個SMU模塊，每個模塊可以獨立的實現(xiàn)電壓電流輸出和測量功能。通過VEE程序控制，可以快速設(shè)置GaN HEMT器件直流偏置，同時完成靜態(tài)工作點柵極和漏極電壓電流的測量。

（3）小信號S參數(shù)測試。器件小信號S參數(shù)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，測量前通過VEE程序發(fā)送命令完成校準(zhǔn)文件調(diào)用，測量頻率、信號電平和中頻帶寬等參數(shù)設(shè)置。待器件直流偏置設(shè)置完成后，程序觸發(fā)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開始測量，即可獲取雙端口器件的完整小信號S參數(shù)。endprint

（4）等效電路參數(shù)計算。GaN HEMT器件的小信號經(jīng)典等效電路模型[8]如圖3所示，可以通過小信號S參數(shù)計算出器件的微波跨導(dǎo)gm、柵漏等效電容Cgd、柵源等效電容Cgs、源漏等效電容Cds、截止頻率Ft和最大資用增益MAG等關(guān)鍵參數(shù)。

VEE程序可以調(diào)用內(nèi)置的Matlab的射頻模塊[9]將獲取的小信號S參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成相應(yīng)的Y參數(shù)、H參數(shù)和Z參數(shù)，再根據(jù)經(jīng)典理論即可計算出器件微波等效電路參數(shù)。

（5）測試數(shù)據(jù)存儲。測試數(shù)據(jù)存儲包含小信號S參數(shù)存儲和等效電路參數(shù)存儲。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取小信號S參數(shù)后，VEE程序自動進(jìn)行命名，并以s2p格式存儲。等效電路參數(shù)則通過VEE程序進(jìn)行計算匯總，連同測試點坐標(biāo)和直流偏置信息逐行寫入EXCEL文件，最后按照一定的命名規(guī)則進(jìn)行存儲。

2 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

匯總數(shù)據(jù)可以通過軟件生成各個參數(shù)的Map圖分布， Map圖與實際圓片分布一一對應(yīng)，便于直觀分析圓片內(nèi)參數(shù)分布和定位異常器件。通過查看一段時間內(nèi)器件等效參數(shù)的SPC曲線，可以及時掌握工藝線的狀態(tài)和變化趨勢。

圖4列出了同一圓片不同測試步驟的成品率對比，可以看出微波小信號測試結(jié)果與后道最終器件性能聯(lián)系更為直觀，微波小信號自動測試結(jié)果更能反映圓片最終成品率。由此可見， GaN HEMT器件微波小信號自動測試是前道流片監(jiān)控的重要手段之一。

3 結(jié)語

微波等效電路參數(shù)監(jiān)控是GaN HEMT器件工藝監(jiān)測的重要手段。本系統(tǒng)正是針對器件小信號微波測試而開發(fā)的，實現(xiàn)了測試過程全自動化，能夠滿足大批量流片監(jiān)控的要求。同時，結(jié)合信息化系統(tǒng)使用，能夠極大地方便數(shù)據(jù)調(diào)閱、監(jiān)控和對比分析。

參考文獻(xiàn)

[1]Wen Wang，Xinxin Yu，Jianjun Zhou，Dunjun Chen，Kai Zhang，Cen Kong，Haiyan Lu，Yuechang Kong，Zhonghui Li，Tangsheng Chen. Improvement of RF performance for AlGaN/GaN HEMT by using a cavity structure[J]. Solid State Electronics，2016.

[2]Mun Jae-Kyoung，Chang Woojin，Kang Dong Min. （Invited） GaN High Power Devices and Their Applications[J].ECS Transactions，2015，661.

[3]鐘世昌，陳堂勝，錢鋒，陳辰，高濤.Ku波段60W AlGaN/GaN功率管[J] 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2014，04：350-353.

[4]鄭敬華，劉晨，高超.一種基于GPIB的自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究[J].信息通信，2012，01：90-92.

[5]王智，陳寶林.基于VEE的射頻模塊自動測試系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程，2014，06：77-80.

[6]歐陽思華，武錦，李艷奎，劉新宇.基于Agilent VEE的HEMT器件在片虛擬儀器測試系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2008，06：111-113+139.

[7]林業(yè)翔.基于labVIEW的自動測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].華南理工大學(xué)，2016.

[8]李志遠(yuǎn).GaN基電子器件小信號等效電路參數(shù)提取與分析[D].山東大學(xué)，2015.

[9]VEE Pro Advanced Techniques.Agilent 產(chǎn)品手冊[Z].2010.endprint