GaN HEMT小信号自动测试系统设计

马杰+杨志虎+付兴中+张力江+崔玉兴

摘要：GaN HEMT器件在高频和大功率通信领域有着广泛的应用。在流片制造过程中，手动微波测试已不能满足器件性能监控的要求。本文在改进传统手动测试的基础上，介绍了一种基于Agilent VEE语言来实现器件微波小信号自动测试系统的方法。该系统解决了器件自动测试、等效电路参数计算和数据存储等问题，实现了整个测试过程自动化，大幅提升了测试效率。

关键词：Agilent VEE；微波小信号测试；等效电路参数；自动测试系统

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：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器件不仅满足高频和大功率通信的要求，还具有优良的预期可靠性寿命，是射频通信领域功率放大器芯片的热门研究方向[1-3]。GaN外延材料价格昂贵，为了防止出现批次报废的情况，需要对流片生产过程进行全面监控。目前工艺线针对HEMT器件已有完整的直流自动测试方案， 但是微波测试仍停留在手动测试阶段，存在以下问题：（1）测试操作复杂，数据处理困难；（2）测试数量有限，数据无法反应整个圆片分布。随着流片数量增加，迫切需要进行微波小信号自动测试。

本文通过VEE程序完成模块控制和测试数据处理，实现器件小信号微波自动测试，能够完全替代手动测试。测试数据自动保存，用户可以随时调阅和分析。圆片汇总数据与流片管理系统兼容，便于进行SPC控制。

1 测试系统的组成

本测试系统主要由矢量网络分析仪、程控电源、微波探针台和测试计算机组成。在测试过程中，首先通过Agilent VEE程序对测试仪器和探针台发送命令，完成S参数测试，然后调用Matlab程序进行矩阵运算，获取器件的小信号微波等效电路参数，最后控制Excel软件完成数据存储。

1.1 硬件部分

本测试系统采用基于虚拟仪器的模块化解决思路，即通过GPIB通信总线进行模块控制和测试数据采集[4]。测试系统硬件连接如图1所示，图中细实线表示的是直流通路，粗实线表示的是微波通路，虚线表示的是控制通路。在整个系统连接中，仪器和设备都可以看做一个独立的模块，通过不同模块在时序上的串联，可以实现不同的测试流程。

1.2 软件部分

1.2.1 软件平台

目前，虚拟仪器编程开发主要有Agilent VEE与Ni LabVIEW两个平台[5-7]。本系统采用的测试仪器与VEE平台具有良好的兼容性，因此本系统采用VEE平台进行测试程序编写。VEE是一个开放的可视化编程平台，测试流程可以逐级分解为模块、步骤、小步和单个命令，所有命令都可以在相应的编程手册获得。

1.2.2 测试流程

自动测试流程如图2所示，主要包括探针台控制、直流偏置输出、S参数测试和数据处理。其中，数据处理过程又包括S参数存储、Matlab计算等效参数和汇总数据存储。测试过程中每个圆片自动生成一个数据文件夹。

（1）探针台移动。探针台程序控制移动和压针是自动测试的前提。本系统使用的半自动探针台可以通过程序控制，按照编辑好的测试Map进行逐个Die测試。对于复杂版图则可以采用Subsite方式进行测试。

（2）直流偏置加电。半导体直流参数分析仪可以支持多个SMU模块，每个模块可以独立的实现电压电流输出和测量功能。通过VEE程序控制，可以快速设置GaN HEMT器件直流偏置，同时完成静态工作点栅极和漏极电压电流的测量。

（3）小信号S参数测试。器件小信号S参数通过矢量网络分析仪测量，测量前通过VEE程序发送命令完成校准文件调用，测量频率、信号电平和中频带宽等参数设置。待器件直流偏置设置完成后，程序触发矢量网络分析仪开始测量，即可获取双端口器件的完整小信号S参数。endprint

（4）等效电路参数计算。GaN HEMT器件的小信号经典等效电路模型[8]如图3所示，可以通过小信号S参数计算出器件的微波跨导gm、栅漏等效电容Cgd、栅源等效电容Cgs、源漏等效电容Cds、截止频率Ft和最大资用增益MAG等关键参数。

VEE程序可以调用内置的Matlab的射频模块[9]将获取的小信号S参数进行转换，生成相应的Y参数、H参数和Z参数，再根据经典理论即可计算出器件微波等效电路参数。

（5）测试数据存储。测试数据存储包含小信号S参数存储和等效电路参数存储。在矢量网络分析仪获取小信号S参数后，VEE程序自动进行命名，并以s2p格式存储。等效电路参数则通过VEE程序进行计算汇总，连同测试点坐标和直流偏置信息逐行写入EXCEL文件，最后按照一定的命名规则进行存储。

2 测试结果及数据分析

汇总数据可以通过软件生成各个参数的Map图分布， Map图与实际圆片分布一一对应，便于直观分析圆片内参数分布和定位异常器件。通过查看一段时间内器件等效参数的SPC曲线，可以及时掌握工艺线的状态和变化趋势。

图4列出了同一圆片不同测试步骤的成品率对比，可以看出微波小信号测试结果与后道最终器件性能联系更为直观，微波小信号自动测试结果更能反映圆片最终成品率。由此可见， GaN HEMT器件微波小信号自动测试是前道流片监控的重要手段之一。

3 结语

微波等效电路参数监控是GaN HEMT器件工艺监测的重要手段。本系统正是针对器件小信号微波测试而开发的，实现了测试过程全自动化，能够满足大批量流片监控的要求。同时，结合信息化系统使用，能够极大地方便数据调阅、监控和对比分析。

参考文献

[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，陈堂胜，钱锋，陈辰，高涛.Ku波段60W AlGaN/GaN功率管[J] 固体电子学研究与进展，2014，04：350-353.

[4]郑敬华，刘晨，高超.一种基于GPIB的自动测试系统实现方法研究[J].信息通信，2012，01：90-92.

[5]王智，陈宝林.基于VEE的射频模块自动测试系统设计[J].无线电工程，2014，06：77-80.

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[7]林业翔.基于labVIEW的自动测试系统的研究与实现[D].华南理工大学，2016.

[8]李志远.GaN基电子器件小信号等效电路参数提取与分析[D].山东大学，2015.

[9]VEE Pro Advanced Techniques.Agilent 产品手册[Z].2010.endprint