脉冲射频仪

【研究背景】快速发展的自由电子激光（FEL）技术在高光子能量下产生了飞秒甚至阿秒的脉冲，使得X射线能够用于状态选择性和相敏多维光谱分析和相干控制。直接和常规测量现有的极紫外（XUV）和X射线自由电子激光脉冲的光谱相位是充分实现这种非线性相干控制概念的关键，以便为它们与物质的相互作用找到和设置最佳的脉冲参数。自放大自发辐射XUV/X射线自由电子激光脉冲的直接时间诊断工具是线性和角度条纹法，它对脉冲的时间形状（包括啁啾）非常敏感。这些方法依赖于一个时间同步且足够强的外场的可用性。诊断SASE辐射脉冲的时间结构的一个补充途径是测量电子束中FEL激光诱导的能量损失（例如使用X波段射频横向偏转腔（XTCAV）），从中可以重建XUV/X射线发射的时间剖面。对于种子自由电子激光脉冲，两个几乎相同的自由电子激光脉冲的产生及其XUV干涉图的评估允许其光谱时间内容的完整表征。在这项工作中，科学家提出了一种直接测量XUV-FEL频率啁啾的技术，而不依赖于任何额外的外场或种子多脉冲方案。由于所报道的技术提供了对XUV辐射光谱时间分布的目标访问，它是对FEL激光性能敏感的用户实验的原位诊断的理想方法。例如，在这里，我们实验观察到频率啁啾对自由电子激光脉冲能量的系统依赖性（增加啁啾以减少脉冲能量）。【成果简介】由最先进的自由电子激光器（FELs）产生的极紫外（XUV）和X射线光子能量的高强度超短脉冲正在给超快光谱学领域带来革命性的变化。为了跨越下一个研究前沿，精确、可靠和实用的光子工具对脉冲的光谱-时间特性的描述变得越来越重要。科学家提出了一种基于基本非线性光学的极紫外自由电子激光脉冲频率啁啾的直接测量方法。它在XUV纯泵浦探针瞬态吸收几何结构中实现，提供了自由电子激光脉冲时能结构的原位信息。利用电离氖靶吸光度随时间变化的速率方程模型，给出了直接从测量数据中提取和量化频率啁啾的方法。由于该方法不依赖于额外的外场，我们期望通过对FEL脉冲特性的原位测量和优化，在FEL中得到广泛的应用，从而使多个科学领域受益。【图文导读】图1：频率分辨等离子体选通原理图2：等离子体选通效应的数值模拟图3：通过瞬态吸收光谱测量XUV-FEL频率啁啾图4：频率啁啾特性，自由电子激光脉冲能量依赖性分析图5：色散对部分相干自由电子激光场的影响原文链接：Measuring the frequency chirp of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses by transient absorption spectroscopy | Nature Communications

1、前言随着半导体封装变得更小、集成度更高，使用非破坏性、高分辨率技术定位故障的能力变得越来越重要。对失效分析手段提出了挑战，故障高分辨率定位能力的需求逐渐增大。为满足这些要求，Advantest开发了TS9001TDR方案，该系统分析通过利用专有的短脉冲信号处理技术进行高分辨率时域反射测量（Time Domain Reflectometry, TDR），对先进半导体封装、电子元件和印刷电路板中的导线故障区域进行快速、高精度和无损分析。 2、主要应用以3D集成电路为代表的高密度集成电路中存在着无限小的布线结构，布线故障在封装、印刷电路板封装过程中频繁出现。检测故障点需要几十微米分辨率。由于上升时间（约20ps）和抖动（约1ps）的限制，传统示波器TDR方法的故障距离分辨率仍保持数百微米的分辨率。使用TS9001TDR系统可以准确分析各种尖端半导体封装的布线质量，如倒装芯片BGA、晶圆级封装和2.5D/3D IC封装，能够直接连接客户的射频探测系统，针对其设备形状和故障分析环境，实现高速、高分辨率的测量，提供灵活的解决方案。（1） 高度集成的集成电路封装故障分析1) 封装引线故障分析：确定引线故障点位于Si Interposer内还是封装内，识别故障是由预处理还是后处理中的因素引起的2) C4 Bump故障分析：利用测试回路确定和分析安装Si Interposer的条件，对测试回路的菊花链结构进行故障点分析，并对安装条件进行反馈3) TSV、Micro-Bump故障分析：识别层压芯片的故障层4) 印刷电路板PCB故障分析：识别PCB板中通孔和信号线的故障点3、原理与优势（1）原理与技术太赫兹脉冲时域反射计的原理参见上图。其利用两个的飞秒激光器分别泵浦光电导电线，产生高频的太赫兹脉冲信号。飞秒激光器的中心波长1550nm，脉冲宽度50fs。其中，一个飞秒激光器的重复频率50MHz，另一个激光器的重复频率稍有区别。采用两个激光器的重复频率稍有差别的缘由在于，利用两个激光器的差频延迟，可以实现高频太赫兹信号的产生和探测。其工作是高频太赫兹信号通过探针接触芯片的管脚，高频太赫兹信号在芯片封装的引线中传播。当芯片封装没有开断路时，高频太赫兹沿着引线向前传播；当芯片封装的引线等出现开路时，将反射回正峰脉冲信号；当芯片封装引线出现短路时，将反射回负峰脉冲信号。（2）技术优势为了识别故障点，常用的封装无损检测方法包括光发射显微镜(emission microscope)和示波器时域反射计(Time domain Reflectometry, TDR)等，但是这些无损检测方法受到时域信号抖动的限制（信号抖动约1ps），导致分辨率不高，不能定位微米级的失效位置，无法以高分辨率检测开路、短路故障。故亟需高分辨率时域反射计，以提供快速且精准的失效定位。Advantest通过独有的光学采样和电短脉冲生成技术，借助飞秒激光技术，产生抖动小于30fs的超短采样脉冲。可以实现5μm的故障定位分辨率。通过使用自动探针的自动触地功能，进行精确的可重复测量，具有更高精度和效率的故障位置测量。TS9001TDR系统通过自动探针和与CAD设计联动，实例分析芯片封装的引线开路和短路故障定位，可以直观快速定位芯片封装的故障点，实现先进封装的失效分析。4、国内外发展现状Advantest的TS9001TDR系统中采用两个超短脉冲激光器异步采样，采取异步采样技术可以使系统不再需要机械式的光学延迟线，并且具有超高速的信号扫描速度。是目前全球独一的技术，目前国内外没有同类设备。5、发展趋势随着晶圆代工制程不断缩小，摩尔定律逼近极限，先进封装是后摩尔时代的必然选择，3D封装迅猛发展。作为一种全新的实现定位方法，在未来的几年里，太赫兹TDR技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断发展，相关产品的种类将越来越丰富，行业应用和相关配套服务也将越来越广泛。搭载脉冲电磁波产生和高速采样的超短脉冲光纤激光器的太赫兹TDR设备，有助于半导体3D封装的故障分析。 6、总结与展望 在实际芯片测量过程中，太赫兹脉冲信号耦合至芯片内部衰减较为严重，对于太赫兹脉冲的信噪比提出了很高的要求。为了进一步提高测量精度和芯片内的传输路径，提高信噪比是亟需攻克的问题。另外芯片内部的引线存在阻抗不匹配又没有完全开路的情况，对于这类Soft Open的芯片检测，TDR波形分析需要结合信号模拟仿真，增强对信号的解读。对于材料的吸收系数、折射率、介电常数等光谱特性，可以用太赫兹时域光谱仪表征，这也是爱德万测试太赫兹技术的核心应用。目前爱德万测试已经有太赫兹时域光谱成像系统，通过发射和接收时域太赫兹信号至样品，可以实现生物医学样品、食品农产品、化学品、复合材料、通讯材料等的光谱特性表征。（爱德万测试(中国)管理有限公司 供稿）

【科学背景】记忆电阻器（memristor）是一种能够在电气应力作用下实现两个或多个非易失性电阻状态的设备，近年来被提出用于解决射频开关的挑战。这种效应最早在1960年代的硒铋合金中被报道，随后在包括金属氧化物和二维层状材料在内的许多其他材料中得到观察。通过改变材料的原子或电子结构，memristor能够实现不同的电阻状态，如高电阻态（HRS）和低电阻态（LRS）。尽管最初主要用于存储应用，memristor目前被提议用于数据加密、能效数据计算（如实现向量矩阵乘法引擎和人工神经网络的电子神经元）、以及射频数据传输开关等领域。针对射频应用，memristor的主要优势在于其非易失性，无需额外能量来维持其导电状态，与传统的p-i-n二极管开关相比，后者需要大量直流电流来维持其状态。最新的memristor技术基于相变材料，如GeTe或GeSbTe，通过控制加热器来实现晶态和非晶态之间的转变，从而切换设备的HRS和LRS。这些设备在50 GHz的频率下已有工业展示，并且在学术演示中能够达到高达109个循环的耐久性，但其集成到大型电路中需要精细的热设计，并可能引入不需要的寄生电容。针对RF mmWave应用的多层hBN memristor的开发，沙特阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza教授团队通过使用不同的电极材料展示了多个设备的射频性能和一致性行为。通过一种增强导电性的方法，作者成功地实现了RLRS低于10 Ω（最低可达4.5 Ω），并展示了2,000个循环的耐久性。作者的设备在高达260 GHz的频率下表现出低于2 dB的损耗和超过30 dB的隔离度，从等效电路模型中提取的截止频率为7 THz。此外，作者还报告了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路。【科学亮点】（1）首次开发了适用于射频毫米波（mmWave）应用的多层氮化硼（hBN）记忆电阻器。这些电阻器展示了在高达260 GHz频率下的射频性能，并通过不同电极材料验证了其稳定的行为。（2）通过采用一种新型的导电性增强方法，成功实现了低于10 Ω的低阻态电阻（RLRS），最低可达4.5 Ω。这种方法使得设备能够经受2,000个循环的使用测试，表现出良好的耐久性。（3）射频性能方面，这些设备展示了在频率高达260 GHz时低于2 dB的插入损耗和超过30 dB的隔离度。通过等效电路模型分析，提取的截止频率高达7 THz，显示出在超高频领域的潜力。（4）作者还报道了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路，突显了这些记忆电阻器在复杂电路中的实际应用潜力。【科学图文】图1： Au-hBN-Au器件的物理和直流特性。图2：通过脉冲写入-验证协议增强射频RF应用的低阻态low-resistance state，LRS性能。图3：Au–多层hBN–Au开关的毫米波性能。【科学结论】本文开发了多层氮化硼记忆电阻器作为射频毫米波应用中的关键组件。传统射频开关技术在高频率（如120 GHz）下存在插入损耗和隔离度方面的限制，而本研究通过精确控制低阻态电阻，利用脉冲偏置协议实现了9.3 ± 3.7 Ω的优异性能。这种方法不仅提高了射频开关的操作频率，还显著降低了信号传输过程中的能量损失。此外，作者展示了在21个设备中一致的双极性切换特性，证明了多层氮化硼在记忆电阻器中的可靠性和稳定性。这些成果不仅推动了射频毫米波技术的前沿，还为未来高速数据传输、增强现实和物联网等应用领域提供了新的解决方案。通过这些研究，作者不仅拓展了记忆电阻器在射频领域的应用潜力，还为探索更高频率、更低能耗的射频开关提供了有力支持。原文详情：Pazos, S., Shen, Y., Zhang, H. et al. Memristive circuits based on multilayer hexagonal boron nitride for millimetre-wave radiofrequency applications. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01192-2