Development of on-wafer calibration methods and planar Schottky diode characterisation at THz frequencies

Abstract

This thesis focuses on development of on-wafer calibration methods for S-parameter measurements and Schottky diode characterisation at millimeter wave and terahertz frequencies. The radio frequency characteristics of components at the wafer level are obtained using on-wafer S-parameter measurements with a vector network analyzer. In general an error network including eight error terms is used to calibrate the on-wafer S-parameter measurements, but in measurement configurations affected by leakage the use of full 16-term error network can be profitable. In this thesis a novel 16-term calibration method based on reciprocity conditions of the error network is introduced and demonstrated with simulations and practical on-wafer measurements. The developed calibration method enables the calibration of the full 16-term error network using only four calibration standards. The method is limited to second-tier calibration of reciprocal error networks with a pre-calibrated network analyzer, when the reciprocity assumption is valid. Also a novel method to determine Line-Reflect-Reflect-Match (LRRM) calibration standards for reciprocal 16-term error network is presented. The Line standard and the resistance of the Match standard need to be exactly known and the reactances of the two unknown lossless reflect standards (typically Short and Open) and the Match standard are solved using the raw S-parameter data of the calibration standard measurements. The accuracy of the known S-parameters or self-calibration results of the calibration standards can be verified as a by-product of the 16-term reciprocal calibration. LRRM is only one possible combination of the four calibration standards to solve the reciprocal 16-term error network. In this thesis all possible non-singular combinations are solved with a simulation approach. Schottky diodes are significant components in the millimeter wave and terahertz frequency applications. Traditionally Schottky diodes are characterised by current-voltage, capacitance-voltage, and S-parameter measurements. The design of the millimeter wave and terahertz diode mixers relies heavily on the extracted parameters from the traditional characterisation measurements. However, the diode operation in the final application such as a mixer cannot be completely predicted by using the extracted parameters. In this thesis a novel mixer-based characterisation method of discrete planar Schottky diodes is presented. A fundamental mixer test jig for single-anode Schottky diodes and a subharmonic mixer test jig for antiparallel Schottky diodes are developed to characterize and compare the mixer operation of different diodes at 183 GHz.

Tämä väitöskirja käsittelee millimetriaalto- ja terahertsialueen on-wafer-sirontaparametri-mittausten kalibrointimenetelmien sekä Schottky-diodien karakterisoinnin kehittämistä. Piirianalysaattorilla tehdyillä on-wafer-sirontaparametrimittauksilla saadaan selvitettyä komponenttien radiotaajuiset ominaisuudet. Yleensä on-wafer-sirontaparametrimittausten kalibroinnissa käytetään 8-termistä virhepiiriä, mutta mittausjärjestelmissä, joissa esiintyy mittausporttien välistä signaalin ohivuotoa, voi 16-termisen virhepiirin käyttö olla hyödyllistä. Työssä esitellään uusi resiprookkisuusehtoihin perustuva 16-terminen kalibrointimenetelmä, jota havainnollistetaan simulaatioilla ja käytännön on-wafer-mittauksilla. Kalibrointimenetelmä mahdollistaa täyden 16-termisen virhepiirin kalibroinnin käyttämällä vain neljää kalibrointistandardia. Menetelmä rajoittuu resiprookkisen virhepiirin kalibrointiin esikalibroidulla piirianalysaattorilla, jolloin on perusteltua olettaa piiri resiprookkiseksi. Työssä on myös kehitetty uusi menetelmä määrittämään resiprookkisen 16-termisen virhepiirin Line-Reflect-Reflect-Match (LRRM) kalibrointistandardit. Siirtojohto-standardi sekä sovitetun päätteen resistanssi täytyvät olla täysin tunnettuja.Kahden tuntemattoman heijastusstandardin (tyypillisesti oikosulku ja avoin pääte) sekä sovitetun päätteen reaktanssit saadaan ratkaistua kalibrointistandardien S-parametrimittausten raakadatasta. Kalibrointistandardien todellisten S-parametrien tai itsekalibrointitulosten tarkkuus voidaan tarkastaa 16-termisen resiprookkisen kalibroinnin sivutuotteena. LRRM on vain yksi mahdollinen neljän kalibrointistandardin kombinaatio, jolla resiprookkinen 16-terminen virhepiiri voidaan ratkaista. Tässä työssä on etsitty simuloinnin avulla kaikki mahdolliset ei-singulaariset kombinaatiot. Schottky-diodit ovat tärkeitä komponentteja millimetriaalto- ja terahertsialueen sovelluksissa. Perinteisesti Schottky-diodit karakterisoidaan virta-jännite- , kapasitanssi-jännite- ja S-parametrimittauksilla. Millimetriaalto- ja terahertsialueen sekoitinsuunnittelu pohjautuu perinteisistä mittauksista ekstraktoituihin parametreihin. Diodien toimintaa lopullisessa sovelluksessa kuten sekoittimissa ei voida kuitenkaan täysin ennustaa näiden ekstraktoitujen parametrien avulla. Työssä esitellään uusi sekoitintoimintaan perustuva erillisten planaaristen Schottky-diodien karakterisointimenetelmä. Perustaajuinen sekoitintestialusta on kehitetty yksianodisten Schottky-diodien toiminnan karakterisointiin ja vertailuun, ja aliharmonen sekoitintestialusta vastakkaissuuntaisten Schottky diodien karakterisointiin ja vertailuun 183 GHz:n taajuudella