JPH0758166A - High-frequency probe device - Google Patents

High-frequency probe device

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JPH0758166A
JPH0758166A JP5204077A JP20407793A JPH0758166A JP H0758166 A JPH0758166 A JP H0758166A JP 5204077 A JP5204077 A JP 5204077A JP 20407793 A JP20407793 A JP 20407793A JP H0758166 A JPH0758166 A JP H0758166A
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JP
Japan
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electric signal
signal
optical
electric
shaping circuit
Prior art date
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Application number
JP5204077A
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Japanese (ja)
Inventor
Taiichi Otsuji
泰一 尾辻
Mikio Yoneyama
幹夫 米山
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPH0758166A publication Critical patent/JPH0758166A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a high-frequency probe device having low losses whereby the transmission of the signal of the wideband extending from DC to the frequency not lower than 100GHz and the application of such a signal to an element to be tested are made possible, by providing respectively in the device an optical inputting terminal, a photoelectric conversion element, an optical signal transmitting medium, a waveform shaping circuit for electric signal, an electric signal outputting terminal, and an electric signal transmitting medium. CONSTITUTION:A high-frequency probe device is used for the estimations of the high-frequency electric characteristics of semiconductor elements and semiconductor integrated elements to be tested. In such high-frequency probe device, an optical signal inputting terminal 11, a photoelectric conversion element 13, an optical signal transmitting medium 12 whereby an optical signal inputted to the optical signal inputting terminal 11 is guided to the photoelectric conversion element 13, a waveform shaping circuit 15 for electric signals whereby the electric signal is matched with the inputting condition of the element to be tested, and an electric signal outputting terminal 17 are provided respectively. Further, first and second electric signal transmitting media 14, 16 are provided respectively in the device. By the first electric signal transmitting medium 14, the electric signal output of the photoelectric conversion element 13 is guided to the waveform shaping circuit 15 for electric signals. By the second electric signal transmitting medium 16, the electric signal output of the waveform shaping circuit 15 for electric signals is guided to the electric signal outputting terminal 17.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、試験半導体素子及び半
導体集積素子の高周波電気特性評価に用いる高周波プロ
ーブ装置に関し、特に100GHz以上の高速・広帯域な半導
体集積装置の高周波特性評価を可能とする高周波プロー
ブ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency probe device used for evaluating high-frequency electrical characteristics of test semiconductor elements and semiconductor integrated elements, and particularly to high-frequency characteristics enabling high-frequency characteristic evaluation of high-speed and wide-band semiconductor integrated devices of 100 GHz or more. Regarding a probe device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体素子および半導体集積素子
をウエハ状態もしくはチップ状態で高周波特性評価を行
なう際には、素子上の信号入力端子への高周波信号の印
加及び素子上の信号出力端子からの応答信号の検出用に
いわゆる高周波プローブとよばれる探触子が用いられて
いた。図6に従来技術による高周波プローブ装置の一実
施形態を表すブロック構成図を示す。図6において、1
は電気信号入力端子、2は電気信号伝送媒体、3は電気
信号モード変換手段、4は電気信号伝送媒体、5は接触
子である。この高周波プローブ装置を被試験素子への高
周波信号印加に用いる場合は、同軸コネクタもしくは導
波管を電気信号入力端子1とし、正弦波発生器やパルス
発生器等から出力された高周波電気信号が同軸ケーブル
もしくは導波管を介して上記電気信号入力端子1に入力
される。そして同軸もしくは導波管モードの電磁波を同
軸もしくは導波管モードに変換したのちに電気信号出力
端子から被試験素子へ印加するものであった。すなわ
ち、電気信号を伝送媒体として信号源と被試験素子間の
接続を電気的に行なうものであった。
2. Description of the Related Art Conventionally, when a semiconductor element and a semiconductor integrated element are evaluated for high frequency characteristics in a wafer state or a chip state, a high frequency signal is applied to a signal input terminal on the element and a signal output terminal on the element is applied. A probe called a high frequency probe has been used for detecting the response signal. FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of a high frequency probe device according to the prior art. In FIG. 6, 1
Is an electric signal input terminal, 2 is an electric signal transmission medium, 3 is an electric signal mode conversion means, 4 is an electric signal transmission medium, and 5 is a contactor. When this high-frequency probe device is used to apply a high-frequency signal to the device under test, the coaxial connector or the waveguide is used as the electric signal input terminal 1, and the high-frequency electric signal output from the sine wave generator or pulse generator is coaxial. It is input to the electric signal input terminal 1 via a cable or a waveguide. The electromagnetic wave in the coaxial or waveguide mode is converted into the coaxial or waveguide mode and then applied to the device under test from the electric signal output terminal. That is, the connection between the signal source and the device under test is electrically performed using the electric signal as a transmission medium.

【0003】現在、市販品として最高100GHzまでの帯域
が実現されている。しかしながら、同軸ケーブルでは高
周波化とともに信号用中心導体と接地用外部導体の間隔
を狭める必要があり小径化が不可欠であるが、小径化と
ともに損失が増大し、測定装置との接続距離が制限され
る。現在は同軸構造では65GHz が限界である。それ以上
の高周波帯では導波管が利用されているが導波管自体が
構造上狭帯域であるため、例えば、50GHz-75GHz 、75-1
10GHz と帯域毎に異なる構造のプローブを複数用いなけ
れば低周波から必要とする上限周波数までの特性評価が
できなかった。
At present, a band up to 100 GHz is realized as a commercial product. However, in the coaxial cable, it is necessary to reduce the distance between the signal center conductor and the grounding outer conductor as the frequency increases, and it is essential to reduce the diameter.However, the loss increases as the diameter decreases, and the connection distance with the measuring device is limited. . Currently, the coaxial structure has a limit of 65 GHz. Waveguides are used in higher frequency bands, but since the waveguide itself is a narrow band due to its structure, for example, 50GHz-75GHz, 75-1
Unless multiple probes with different structures of 10 GHz for each band were used, it was not possible to evaluate the characteristics from the low frequency to the required upper limit frequency.

【0004】代表的な高周波特性評価法としては、
(1)ネットワークアナライザを用いた散乱パラメータ
測定、(2)インパルス発生器とサンプリングオシロス
コープを用いたインパルス波形に対する時間応答測定、
(3)パルスパタン発生器と符号誤り率測定器を用いた
擬似ランダムパタンに対する誤り測定率、及び(4)パ
ルスパタン発生器とサンプリングオシロスコープを用い
たアイパタン測定などが挙げられる。
As a typical high frequency characteristic evaluation method,
(1) Scattering parameter measurement using network analyzer, (2) Time response measurement for impulse waveform using impulse generator and sampling oscilloscope,
(3) An error measurement rate for a pseudo random pattern using a pulse pattern generator and a code error rate measuring device, and (4) eye pattern measurement using a pulse pattern generator and a sampling oscilloscope.

【0005】これらのうち(1)散乱パラメータ測定で
は単一正弦波の周波数を掃引して損失や反射特性を評価
することから周波数帯域毎に異なるプローブを用いるこ
とは可能である。しかしながら、それ以外の評価法にお
いては入力信号自体に広帯域な周波数成分が含まれるた
め、上記のプローブを用いた評価では直流からの伝送が
可能な同軸型のプローブを用いざるを得ず65GHz 程度に
上限周波数が制約されていた。
Among these, in (1) scattering parameter measurement, the frequency of a single sine wave is swept to evaluate the loss and reflection characteristics, so it is possible to use different probes for each frequency band. However, in other evaluation methods, the input signal itself contains a wideband frequency component, so in the evaluation using the above probe, a coaxial probe capable of transmitting from DC must be used, and the frequency must be around 65 GHz. The upper limit frequency was restricted.

【0006】また、評価法(2)インパルス波形に対す
る時間応答測定においてはパルスの急峻性は要求される
もののパルスの繰り返し周波数は例えば10MHz 程度と低
周波でよい。このため研究レベルでは、入力信号自体は
立ち上がり時間、立ち下がり時間1ns程度の10MHz パル
スを用い、例えば図7に示す従来技術による高周波プロ
ーブ装置で用いられている構成要素の一実施形態のごと
くプローブ上に非線形線路を構成してパルス波形を非対
称化し、あるいはまた、ステップリカバリダイオードに
よってパルス波形を非対称化し、例えば立ち下がり時間
を大幅に短縮化して信号の周波数成分を広帯域化するこ
とによって、本評価を実現していた。図7において、D
はダイオード(バイアス依存性を持つ容量成分)、Lは
特性インピーダンスZ1の伝送線路である。
In the evaluation method (2), the time response measurement for the impulse waveform requires a steepness of the pulse, but the pulse repetition frequency may be as low as about 10 MHz. For this reason, at the research level, the input signal itself uses a 10 MHz pulse with a rise time and a fall time of about 1 ns. For example, as shown in FIG. In this evaluation, a non-linear line is configured to make the pulse waveform asymmetric, or the pulse waveform is made asymmetric by the step recovery diode, and the fall time is greatly shortened to broaden the frequency component of the signal. Had been realized. In FIG. 7, D
Is a diode (capacitance component having bias dependency), and L is a transmission line having a characteristic impedance Z1.

【0007】評価法(3)、(4)は例えば光伝送用中
継装置を構成する広帯域増幅器や識別器の性能評価には
不可欠であるが、被試験素子に印加するパルスには波形
急峻性と高い繰り返し周波数の双方が要求される。例え
ば100 Gb/s のビットレートでの符号誤り率測定を行な
うには100GHzのクロック周波数と3ps 程度の立ち上がり
時間、立ち下がり時間がともに要求されるのである。半
導体素子の速度性能は素子構造及び微細化の進展ととも
に飛躍的に向上している、既に研究段階では40Gb/s 動
作の論理回路が発表されるに至り、近い将来100 Gb/s
級動作の実現は疑いのないところである。しかしなが
ら、上記の理由によって、従来のプローブ装置ではこれ
らの高周波デバイスに対して評価法(3)、(4)を実
行することが不可能であった。
The evaluation methods (3) and (4) are indispensable for evaluating the performance of, for example, a wide band amplifier or a discriminator which constitutes a repeater for optical transmission, but the pulse applied to the device under test has a steep waveform. Both high repetition frequencies are required. For example, in order to measure the bit error rate at a bit rate of 100 Gb / s, a clock frequency of 100 GHz and a rise time and a fall time of about 3 ps are required. The speed performance of semiconductor devices has dramatically improved with the progress of device structure and miniaturization. In the research stage, 40 Gb / s operation logic circuits were already announced, and 100 Gb / s in the near future.
The realization of class action is unquestionable. However, for the above reasons, it is impossible for the conventional probe apparatus to execute the evaluation methods (3) and (4) on these high frequency devices.

【0008】従って、信号源に含まれる全周波数成分を
伝搬させるだけの極めて広帯域なプローブの実現が臨ま
れている。
Therefore, it is desired to realize an extremely wide-band probe that can propagate all the frequency components contained in the signal source.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上のごとく、従来の
高周波プローブ装置では低損失かつ直流から100GHz程度
に亘る広帯域な信号伝送と被試験素子への信号印加を実
現することが困難であった。
As described above, it has been difficult for the conventional high-frequency probe device to realize low-loss wideband signal transmission from DC to about 100 GHz and signal application to the device under test.

【0010】本発明は従来の問題点を解決し、低損失か
つ直流から100GHz以上に亘る広帯域な信号伝送と被試験
素子への信号印加が可能な高周波プローブ装置を提供す
ることを目的とする。
It is an object of the present invention to solve the conventional problems and to provide a high-frequency probe device capable of transmitting a signal in a wide band from DC to 100 GHz or more and applying a signal to a device under test with low loss.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の高周波プローブ装置は、光信号入力端子と、
光電気変換素子と、該光信号入力端子に入力された光信
号を該光電気変換素子へ導く光信号伝送媒体と、電気信
号波形整形回路と、電気信号出力端子と、該光電気変換
素子の電気信号出力を該電気信号波形整形回路へ導く第
1の電気信号伝送媒体と、該電気信号波形整形回路の電
気信号出力を該電気信号出力端子へ導く第2の電気信号
伝送媒体からなることを特徴とするものである。。
In order to achieve the above object, a high frequency probe device of the present invention comprises an optical signal input terminal,
An opto-electric conversion element, an optical signal transmission medium that guides an optical signal input to the optical signal input terminal to the opto-electric conversion element, an electric signal waveform shaping circuit, an electric signal output terminal, and an opto-electric conversion element A first electric signal transmission medium for guiding an electric signal output to the electric signal waveform shaping circuit; and a second electric signal transmission medium for guiding an electric signal output of the electric signal waveform shaping circuit to the electric signal output terminal. It is a feature. .

【0012】[0012]

【作用】本発明では評価に必要な電気信号と同等の繰り
返し周波数とパルス波形を有する光信号を入力とし、被
試験素子から至近な距離に配置した広帯域な光電気変換
素子によって前記光信号を電気信号に変換し、得られた
電気信号を被試験素子の入力条件に整合させて印加す
る。従来、帯域制限となっていた電気信号入力を光信号
入力に置換し、さらに、光電気変換素子と電気信号波形
整形回路をプローブ装置上に搭載して変換後の電気信号
伝送距離を短縮することによって、低損失かつ直流から
100GHz以上に亘る広帯域な信号伝送と被試験素子への信
号印加を実現するものである。
In the present invention, an optical signal having a repetition frequency and a pulse waveform equivalent to the electrical signal required for evaluation is input, and the optical signal is electrically converted by a broadband photoelectric conversion element arranged at a short distance from the device under test. The signal is converted into a signal, and the obtained electric signal is applied while being matched with the input condition of the device under test. To replace the electrical signal input, which used to be band limited in the past, with an optical signal input, and further to mount the photoelectric conversion element and the electrical signal waveform shaping circuit on the probe device to shorten the electrical signal transmission distance after conversion. Low loss and from direct current
It realizes broadband signal transmission over 100 GHz and signal application to the device under test.

【0013】[0013]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【0014】図1に本発明における高周波プローブ装置
の一実施例を表すブロック構成図を示す。この高周波プ
ローブ装置は光信号入力端子11、光信号伝送媒体1
2、光電気変換素子13、第1の電気信号伝送媒体1
4、電気信号波形整形回路15、第2の電気信号伝送媒
体16及び接触子17によって構成される。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the high frequency probe device according to the present invention. This high frequency probe device includes an optical signal input terminal 11 and an optical signal transmission medium 1.
2, photoelectric conversion element 13, first electric signal transmission medium 1
4, an electric signal waveform shaping circuit 15, a second electric signal transmission medium 16 and a contactor 17.

【0015】光信号入力端子11は外部で生成された高
速の光パルス列信号を入力する端子として機能する。光
信号入力端子11として例えば光ファイバ用コネクタを
適用し、光ファイバを介して光パルス信号発生源と光フ
ァイバ用コネクタを接続することによって、極めて低損
失で光パルス信号を高周波プローブ装置に導くことが可
能である。例えば市販されている波長1.55μmの単一モ
ード光ファイバ1mとFC型コネクタを用いることによ
り、全信号帯域に亘り損失を1dB程度に抑えることがで
きる。
The optical signal input terminal 11 functions as a terminal for inputting a high-speed optical pulse train signal generated externally. By applying, for example, an optical fiber connector as the optical signal input terminal 11 and connecting the optical pulse signal generation source and the optical fiber connector via the optical fiber, the optical pulse signal can be guided to the high frequency probe device with extremely low loss. Is possible. For example, the loss can be suppressed to about 1 dB over the entire signal band by using a commercially available 1 m single mode optical fiber with a wavelength of 1.55 μm and an FC type connector.

【0016】光パルス列信号は例えば参考文献1(M.Ji
nno,“ Ultrafast Time-Division Demultiplexer Based
on Electrooptic On/Off Gates,”IEEE Joumal of Lig
htwave Technology,Vol.10,No.10,pp.1458-1465,Oct.19
92. )に記載されているように以下のような方法で生成
できる。すなわち、半導体レーザ光を LiNbO3 等の電気
光学振幅変調器で光パルス列に変調し、さらに変調光を
分波し導波路長で互いの位相差を調整した後に合波する
ことによって、極めて高いビットレートの光パルス信号
を得ることが可能である。例えば、20Gb/s の電気光学
振幅変調器がすでに実用化されており、これを用いてま
ず20Gb/s の光パルス信号を生成し、さらに4多重する
ことによって80Gb/s の光パルス信号を得ることが可能
である。
The optical pulse train signal is described in, for example, Reference Document 1 (M.Ji
nno, “Ultrafast Time-Division Demultiplexer Based
on Electrooptic On / Off Gates, ”IEEE Joumal of Lig
htwave Technology, Vol.10, No.10, pp.1458-1465, Oct.19
As described in 92.), it can be generated by the following method. That is, a semiconductor laser beam is modulated into an optical pulse train by an electro-optic amplitude modulator such as LiNbO 3 , and then the modulated light is demultiplexed and the phase difference between them is adjusted by the waveguide length, and then combined to obtain an extremely high bit rate. It is possible to obtain a rate optical pulse signal. For example, a 20 Gb / s electro-optic amplitude modulator has already been put into practical use, and using this, an optical pulse signal of 20 Gb / s is first generated, and then an optical pulse signal of 80 Gb / s is obtained by further multiplexing 4. It is possible.

【0017】光信号入力端子11から入力された光パル
ス信号は光信号伝送媒体12を介して光電気変換素子1
3の受光面に導かれる。光信号伝送媒体12として例え
ば光ファイバ等の光導波路が適用できる。
The optical pulse signal input from the optical signal input terminal 11 is transmitted through the optical signal transmission medium 12 to the optoelectric conversion element 1.
3 is guided to the light receiving surface. As the optical signal transmission medium 12, for example, an optical waveguide such as an optical fiber can be applied.

【0018】光ファイバや光導波路の端面から出射され
る信号光のスポットサイズよりも光電気変換素子13の
受光領域が狭い場合には、例えば図2に示した本発明に
おける高周波プローブ装置の一構成要素である光信号伝
送媒体12の一実施例を示すブロック構成図のごとく、
光信号伝送媒体12を光導波路18と集光手段19によ
って構成し、光導波路18の最終段に集光手段19を設
けることにより、光信号伝送媒体12と光電気変換素子
13との結合効率の劣化を抑止できる。光導波路18と
しては例えば光ファイバを適用し、集光手段19として
は光ファイバの端面を球面状に加工したいわゆる先球フ
ァイバや、先球集束型ロッドレンズ、或いは集束型ロッ
ドレンズと球面レンズとの組み合わせなどの構成が適用
できる。
When the light receiving area of the photoelectric conversion element 13 is narrower than the spot size of the signal light emitted from the end face of the optical fiber or the optical waveguide, for example, one configuration of the high frequency probe device of the present invention shown in FIG. As shown in the block diagram showing one embodiment of the optical signal transmission medium 12 as an element,
By configuring the optical signal transmission medium 12 with the optical waveguide 18 and the light converging means 19, and providing the condensing means 19 at the final stage of the optical waveguide 18, the coupling efficiency of the optical signal transmission medium 12 and the photoelectric conversion element 13 can be improved. Deterioration can be suppressed. An optical fiber, for example, is used as the optical waveguide 18, and a so-called front spherical fiber in which the end face of the optical fiber is processed into a spherical shape, a front spherical converging type rod lens, or a converging type rod lens and a spherical lens is used as the converging means 19. A configuration such as a combination of can be applied.

【0019】光電気変換素子13は入射された光信号を
電気信号に変換するものであり、、pin フォトダイオー
ド、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォ
トダイオード、或いはMSM(金属−半導体−金属)フ
ォトダイオードなどが適用できる。GaAsショットキーフ
ォトダイオード、pin フォトダイオード、MSMフォト
ダイオードなどにおいて70GHz から100GHzの広帯域が達
成されており、これらの広帯域フォトダイオードを光電
気変換素子に適用することにより、100 Gb/s以上のき
わめて高速の電気信号を得ることが可能である。
The photoelectric conversion element 13 converts an incident optical signal into an electric signal, and is a pin photodiode, a Schottky photodiode, an avalanche photodiode, an MSM (metal-semiconductor-metal) photodiode, or the like. Can be applied. GaAs Schottky photodiodes, pin photodiodes, MSM photodiodes, etc. have achieved a wide band of 70 GHz to 100 GHz. By applying these broadband photodiodes to photoelectric conversion elements, extremely high speeds of 100 Gb / s or more can be achieved. It is possible to obtain the electric signal of

【0020】第1の電気信号伝送媒体14は光電気変換
素子13から出力された電気信号を電気信号波形整形回
路15へ導き、第2の電気信号伝送媒体16は電気信号
波形整形回路15の出力信号を接触子17へ導くもので
ある。これら第1及び第2の電気信号伝送媒体14,1
6は、例えばアルミナやサファイヤ等の誘電体基板上に
コプレーナ型導波路やマイクロストリップ線路等のイン
ピーダンス整合線路として形成することができる。当該
電気信号伝送媒体14,16の周波数特性は線路構造や
線路材料、誘電体材料によって決まり、例えば損失の低
い金とアルミナを各々線路材料、誘電体材料に用い、線
路幅100μm、線路厚0.5μmで50Ωのコプレー
ナ型線路を形成した場合、100GHz以下での損失を0.2 d
B/mm程度に抑えることができる。後述するように電
気信号波形整形回路15は最も規模が大きい場合でも数
mm角以下の集積回路で実現できるため、光電気変換素
子13から接触子17までの距離は10mm程度に抑える
ことができる。従って、当該電気信号伝送媒体14,1
6では100GHz程度の信号帯域(3dB)を確保す
ることが可能である。
The first electric signal transmission medium 14 guides the electric signal output from the photoelectric conversion element 13 to the electric signal waveform shaping circuit 15, and the second electric signal transmission medium 16 outputs the electric signal waveform shaping circuit 15. The signal is guided to the contactor 17. These first and second electric signal transmission media 14, 1
6 can be formed as an impedance matching line such as a coplanar waveguide or a microstrip line on a dielectric substrate such as alumina or sapphire. The frequency characteristics of the electric signal transmission media 14 and 16 are determined by the line structure, the line material, and the dielectric material. For example, gold and alumina having low loss are used as the line material and the dielectric material, respectively, and the line width is 100 μm and the line thickness is 0. When a 50 Ω coplanar line with 5 μm is formed, the loss at 100 GHz or less is 0.2 d.
It can be suppressed to about B / mm. As will be described later, even if the electric signal waveform shaping circuit 15 has the largest scale, it can be realized by an integrated circuit of several mm square or less, so that the distance from the photoelectric conversion element 13 to the contact 17 can be suppressed to about 10 mm. Therefore, the electric signal transmission medium 14, 1
In No. 6, it is possible to secure a signal band (3 dB) of about 100 GHz.

【0021】電気信号波形整形回路15は光電気変換素
子13によって得られた電気信号を被試験素子の入力条
件に整合させるものであり、具体的には、電圧レベルシ
フト回路、もしくは電圧遷移速度調整回路、もしくは電
圧振幅調整回路、もしくはそれら2つ以上を組み合わせ
た回路によって構成される。
The electric signal waveform shaping circuit 15 matches the electric signal obtained by the opto-electric conversion element 13 with the input condition of the device under test. Specifically, it is a voltage level shift circuit or a voltage transition speed adjustment. It is configured by a circuit, a voltage amplitude adjusting circuit, or a circuit combining two or more thereof.

【0022】本発明における一構成要素である電気信号
波形整形回路15を電圧レベルシフト回路として構成し
た場合の実施例を図3に示す。本電圧レベルシフト回路
20は信号線路に直列に挿入された容量C、容量Cの出
力端に分岐したインダクタンスL1、及び容量Cの入力
端に分岐したインダクタンスL2によって構成される。
容量Cによって電気信号の直流成分が除去されるので、
インダクタンスL1の他端Aに直流電圧を印加すること
によって、電気信号の出力レベルを印加した電圧分だけ
直流的にシフトすることができる。被試験素子の入力信
号条件が例えばGaAs論理ICで用いられるSCFL(ソース
カップルドFETロジック)レベルの場合、信号の中間
レベルを-0.4Vに設定する必要があり、端子Aに-0.4V
を印加すればよい。インダクタンスL2は光電気変換素
子13の出力信号自体に直流レベルを印加するものであ
り、例えば光電気変換素子13にフォトダイオードを適
用した場合、フォトダイオードのバイアス電圧をインダ
クタンスL2を介して調整することができるので、フォ
トダイオードの動作条件を最適に保ちながらかつ必要と
する直流分だけ出力信号をレベルシフトすることができ
る。図中、Eは接地端子、INは信号入力端子、OUT
は信号出力端子である。
FIG. 3 shows an embodiment in which the electric signal waveform shaping circuit 15 which is one component of the present invention is configured as a voltage level shift circuit. The voltage level shift circuit 20 is composed of a capacitor C inserted in series in the signal line, an inductance L1 branched to the output end of the capacitor C, and an inductance L2 branched to the input end of the capacitor C.
Since the DC component of the electric signal is removed by the capacitance C,
By applying a DC voltage to the other end A of the inductance L1, the output level of the electric signal can be DC-shifted by the applied voltage. If the input signal condition of the device under test is the SCFL (source coupled FET logic) level used in a GaAs logic IC, for example, it is necessary to set the intermediate level of the signal to -0.4V, and to the terminal A at -0.4V.
Should be applied. The inductance L2 applies a DC level to the output signal itself of the photoelectric conversion element 13, and when a photodiode is applied to the photoelectric conversion element 13, for example, the bias voltage of the photodiode should be adjusted via the inductance L2. Therefore, the output signal can be level-shifted by the required DC component while keeping the operating conditions of the photodiode optimum. In the figure, E is a ground terminal, IN is a signal input terminal, and OUT
Is a signal output terminal.

【0023】電気信号波形整形回路15を電圧遷移速度
調整回路として構成する場合には、例えばステップリカ
バリダイオードや文献2(M.J.W.Rodwell,M.Kamegawa,
R.Yu,M.Case,E.Carman,and K.S.Giboney,“ GaAs Nonli
near Transmission Lines forPicosecond Pulse Genera
tion and Millimeter-Wave Sampling,”IEEE Transacti
ons on Microwave Theory and Techniques,Vol.39,No.
7,pp.1194-1204,July,1991.)に記載されている非線形
伝送線路が適用できる。文献2には「これらの応答速度
は立ち上がり時と立ち下がり時とで非対称性を有してお
り、非対称なパルス波形を対称に整形することができ
る。」と記載されている。これが「非線形伝送線路」で
ある。フォトダイオードの応答速度は、光照射によって
キャリアが誘起され、さらにドリフトして電極に到達す
るまでの所要時間と生成されたキャリアが光の遮断によ
って消滅する所要時間とによって決まる。一般的には後
者の方が多くの時間を要する。すなわち電気信号に変換
された波形は立ち上がり時間と立ち下がり時間が非対称
となる場合が多い。この波形の非対称性は光電気変換素
子として適用したフォトダイオードの応答特性によって
決定されるため、波形非対称性が問題となる場合には、
本電圧遷移速度調整回路の適用が有用である。
When the electric signal waveform shaping circuit 15 is configured as a voltage transition speed adjusting circuit, for example, a step recovery diode or a reference 2 (MJWRodwell, M. Kamegawa,
R. Yu, M. Case, E. Carman, and KSGiboney, “GaAs Nonli
near Transmission Lines for Picosecond Pulse Genera
tion and Millimeter-Wave Sampling, ”IEEE Transacti
ons on Microwave Theory and Techniques, Vol.39, No.
The nonlinear transmission line described in 7, pp.1194-1204, July, 1991.) can be applied. Document 2 describes that "these response speeds have asymmetry between rising and falling, and an asymmetric pulse waveform can be shaped symmetrically." This is the "non-linear transmission line". The response speed of the photodiode is determined by the time required for carriers to be induced by light irradiation and further drift to reach the electrode, and the time required for the generated carriers to disappear due to light blocking. The latter generally requires more time. That is, the waveform converted into an electric signal often has asymmetric rise time and fall time. This asymmetry of the waveform is determined by the response characteristics of the photodiode applied as the photoelectric conversion element, so if the asymmetry of the waveform is a problem,
It is useful to apply this voltage transition speed adjustment circuit.

【0024】また、電気信号波形整形回路15は電圧振
幅調整回路によって構成してもよく、例えば光帯域増幅
回路が適用できる。光電気変換素子13としてフォトダ
イオードを適用する場合、フォトダイオードの変換効率
と出力飽和特性によって、得られる出力信号振幅には上
限がある。例えば出力飽和電流が2mAで変換効率が30
0mW/Aのフォトダイオードを適用した場合、 10mWの
光信号を入射しても特性インピーダンス50Ωの系では
100mVの電圧しか得られない。このような小信号振幅を
論理振幅(例えば前述したSCFLでは800mV)に増幅させ
る場合には本電圧振幅調整回路が有用である。
The electric signal waveform shaping circuit 15 may be composed of a voltage amplitude adjusting circuit, and for example, an optical band amplifying circuit can be applied. When a photodiode is used as the photoelectric conversion element 13, the obtained output signal amplitude has an upper limit due to the conversion efficiency and output saturation characteristics of the photodiode. For example, output saturation current is 2mA and conversion efficiency is 30
When a 0 mW / A photodiode is applied, even if an optical signal of 10 mW is incident on a system with a characteristic impedance of 50Ω
Only 100 mV voltage can be obtained. This voltage amplitude adjusting circuit is useful when amplifying such a small signal amplitude to a logical amplitude (for example, 800 mV in the above-mentioned SCFL).

【0025】更には、前記電気信号波形整形回路15を
電圧レベルシフト回路、電圧遷移速度調整回路、電圧振
幅調整回路などの2つ以上の機能を組み合わせて構成し
てもよく、要は光電気変換素子13によって得られた電
気信号波形を被試験素子の入力条件に整合させる機能を
果たせばよいのである。
Furthermore, the electric signal waveform shaping circuit 15 may be configured by combining two or more functions such as a voltage level shift circuit, a voltage transition speed adjusting circuit, and a voltage amplitude adjusting circuit. It suffices if it fulfills the function of matching the electric signal waveform obtained by the element 13 with the input condition of the element under test.

【0026】電気信号波形整形回路15を上記のように
構成した場合の回路面積を見積ると、もっとも規模の大
きい広帯域増幅回路でも半導体集積回路技術を適用する
ことによって、数mm角のチップ面積で実現できる。ま
た、図3に示した電圧レベルシフト回路を個別回路部分
で構成する場合にも、容量Cはマイクロチップキャパシ
タ、インダクタンスL1、L2はリボンインダクタ等を
用いることによって、数mm四方の面積上に実装するこ
とができる。従って電気信号波形整形回路15全体とし
ても高々10mm角程度の面積に収まることから、前記電
気信号伝送媒体14,16の実施例で述べた誘電体基板
上に本回路を搭載し、誘電体基板上の信号伝送線路と接
続して一体化することが可能である。図4に電気信号伝
送媒体14,16及び電気信号波形整形回路15の一体
化構成の一実施例を示す。単一の誘電体基板21上に第
1、第2のコプレーナ型導波路23,24が各々第1、
第2の電気信号伝送媒体14,16として形成され、そ
れらの間に電気信号波形整形回路15が搭載されてい
る。当該コプレーナ型導波路23,24の信号端子、及
び、誘電体基板21上の接地や電源等の信号端子が、各
々対応する電気信号波形整形回路15の信号端子と半田
バンプ22を介して接続されている。これにより、10m
m程度のわずかな伝送距離で光電気変換素子13と接触
子17の間を接続することができ、100GHz前後の超高周
波成分も少ない損失で被試験素子に導くことができる。
When the circuit area in the case where the electric signal waveform shaping circuit 15 is configured as described above is estimated, the semiconductor integrated circuit technology is applied to the largest wide band amplifier circuit to realize a chip area of several mm square. it can. Further, even when the voltage level shift circuit shown in FIG. 3 is configured by an individual circuit portion, by using a microchip capacitor for the capacitance C and a ribbon inductor for the inductances L1 and L2, the capacitor C is mounted on an area of several mm square. can do. Therefore, since the electric signal waveform shaping circuit 15 as a whole can be accommodated in an area of about 10 mm square at most, this circuit is mounted on the dielectric substrate described in the embodiments of the electric signal transmission media 14 and 16 and It is possible to connect and integrate with the signal transmission line. FIG. 4 shows an embodiment of an integrated configuration of the electric signal transmission media 14 and 16 and the electric signal waveform shaping circuit 15. The first and second coplanar waveguides 23 and 24 are respectively formed on the single dielectric substrate 21.
The second electric signal transmission mediums 14 and 16 are formed, and the electric signal waveform shaping circuit 15 is mounted between them. The signal terminals of the coplanar waveguides 23 and 24 and the signal terminals such as ground and power on the dielectric substrate 21 are connected to the corresponding signal terminals of the electric signal waveform shaping circuit 15 via the solder bumps 22, respectively. ing. With this, 10m
The photoelectric conversion element 13 and the contactor 17 can be connected with each other with a short transmission distance of about m, and an ultrahigh frequency component around 100 GHz can be guided to the element under test with a small loss.

【0027】接触子17は本高周波プローブ装置の信号
出力端子であり、電気信号を被試験素子の信号入力端子
に印加する機能を有する。従来における高周波プローブ
装置の接触子となんら変わりはない。被試験素子のパッ
ド配置、すなわち信号端子配置は高周波特性上、通常信
号入力端子の両側を接地端子で挟んだ構成をとる場合が
多く、例えば、前記電気信号伝送媒体14,16をコプ
レーナ型導波路で形成する場合には図4に示した実施例
のごとく、被試験素子のパッド配置に対応させて、信号
用とそれを挟む2つの接地用の合計3つの接触子17を
形成すればよい。
The contactor 17 is a signal output terminal of the high-frequency probe device and has a function of applying an electric signal to the signal input terminal of the device under test. It is no different from the contact of the conventional high-frequency probe device. The pad arrangement of the device under test, that is, the signal terminal arrangement, often has a configuration in which both sides of the normal signal input terminal are sandwiched by ground terminals due to high frequency characteristics. For example, the electric signal transmission media 14 and 16 are coplanar waveguides. In the case of forming by (3), as shown in the embodiment shown in FIG. 4, a total of three contacts 17 for signals and for two grounds sandwiching them may be formed corresponding to the pad arrangement of the device under test.

【0028】図5(a)は本発明における高周波プロー
ブ装置の一実施例形態を表す底面図を示し、図5(b)
は同じく側面図を示す。光信号入力端子11として光フ
ァイバ用コネクタ25を適用し、光信号伝送媒体として
光ファイバをを適用している。光ファイバ26の先端は
フェルール27とガイド28を介してプローブ筐体29
に固定されている。また、集光用の光学レンズ30がレ
ンズガイド31を介してプローブ筐体29に固定されて
いる。光電気変換素子13としてフォトダイオード32
を適用し、フォトダイオード32の入射面が光ファイバ
出射面に対向するようにプローブ筐体29に固定されて
いる。フォトダイオード32の電気信号出力は、誘電体
基板33上に電気信号伝送媒体14として形成された第
1のコプレーナ型導波路34に接続されている。該誘電
体基板33上には電気信号波形整形回路15が搭載され
ており、第1のコプレーナ型導波路34の出力端が電気
信号波形整形回路15の入力端子に導かれる。電気信号
波形整形回路15の出力端が第2のコプレーナ型導波路
35に接続され、第2のコプレーナ型導波路35の先端
に形成された接触子17まで伝送される。図から明らか
なように、光信号入力によって従来電気信号入力におい
て避けられなかった電気信号入力端子における周波数帯
域制限要因を除去できる。また、光電気変換素子13と
電気信号波形整形回路15をプローブ上に搭載して被試
験素子との間の電気信号伝送距離を従来構成に比して大
幅に短縮でき、したがって高周波損失を低減することが
できる。
FIG. 5A is a bottom view showing an embodiment of the high-frequency probe device according to the present invention, and FIG.
Also shows a side view. An optical fiber connector 25 is applied as the optical signal input terminal 11, and an optical fiber is applied as the optical signal transmission medium. The tip of the optical fiber 26 is connected to the probe housing 29 via the ferrule 27 and the guide 28.
It is fixed to. An optical lens 30 for condensing is fixed to the probe housing 29 via a lens guide 31. A photodiode 32 as the photoelectric conversion element 13.
Is applied to the probe housing 29 so that the incident surface of the photodiode 32 faces the optical fiber emitting surface. The electric signal output of the photodiode 32 is connected to a first coplanar waveguide 34 formed as the electric signal transmission medium 14 on the dielectric substrate 33. The electric signal waveform shaping circuit 15 is mounted on the dielectric substrate 33, and the output end of the first coplanar waveguide 34 is guided to the input terminal of the electric signal waveform shaping circuit 15. The output end of the electric signal waveform shaping circuit 15 is connected to the second coplanar waveguide 35, and is transmitted to the contact 17 formed at the tip of the second coplanar waveguide 35. As is apparent from the figure, the optical signal input can eliminate the frequency band limiting factor at the electrical signal input terminal, which is inevitable in the conventional electrical signal input. Further, the photoelectric conversion element 13 and the electric signal waveform shaping circuit 15 are mounted on the probe, and the electric signal transmission distance between the element to be tested and the element under test can be significantly shortened as compared with the conventional configuration, and therefore the high frequency loss is reduced. be able to.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上の説明から明らかなごとく、本発明
によれば、低損失でかつ直流から100GHz以上に亘る広帯
域な信号伝送と被試験素子への信号印加が可能な高周波
プローブ装置を提供することができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, there is provided a high-frequency probe device capable of low-loss wideband signal transmission from DC to 100 GHz or more and application of a signal to a device under test. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明における高周波プローブ装置の一実施例
を表すブロック構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a high frequency probe device according to the present invention.

【図2】本発明における高周波プローブ装置の一構成要
素である光伝送媒体の一例を示すブロック構成図であ
る。
FIG. 2 is a block configuration diagram showing an example of an optical transmission medium that is a component of the high-frequency probe device according to the present invention.

【図3】本発明における高周波プローブ装置の一構成要
素である電気信号波形整形回路を電圧レベルシフト回路
として構成した場合の実施例を示す回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment in the case where an electric signal waveform shaping circuit which is one component of the high frequency probe device of the present invention is configured as a voltage level shift circuit.

【図4】本発明における高周波プローブ装置の構成要素
である電気信号伝送媒体及び電気信号波形整形回路の一
実装形態例を示す。本図は電気信号波形整形回路を搭載
した面から眺めた図であり、電気信号波形整形回路と誘
電体基板との各信号接続箇所を透視して示している。
FIG. 4 shows an exemplary implementation of an electric signal transmission medium and an electric signal waveform shaping circuit, which are components of the high-frequency probe device according to the present invention. This figure is a view as seen from the surface on which the electric signal waveform shaping circuit is mounted, and shows through through each signal connection point between the electric signal waveform shaping circuit and the dielectric substrate.

【図5】(a)は本発明における高周波プローブ装置の
一実施例を表す底面図を示し、(b)は同じく側面図を
示している。
5A is a bottom view showing an embodiment of the high-frequency probe device according to the present invention, and FIG. 5B is a side view of the same.

【図6】従来技術による高周波プローブ装置の一実施形
態を表すブロック構成図を示す。
FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of a high-frequency probe device according to the related art.

【図7】従来技術による高周波プローブ装置の構成要素
である非線形線路の一実施形態を示す回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing an embodiment of a non-linear line which is a component of a high-frequency probe device according to the prior art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電気信号入力端子、2…電気信号伝送媒体、3…電
気信号モード変換手段、4…電気信号伝送媒体、5…接
触子モータ、11…光信号入力端子、12…光信号伝送
媒体、13…光電気変換素子、14…第1の電気信号伝
送媒体、15…電気信号波形整形回路、16…第2の電
気信号伝送媒体、17…接触子、18…光導波路、19
…集光手段、20…電圧レベルシフト回路、21…誘電
体基板、22…半田バンプ、23…第1のコプレーナ型
導波路、24…第2のコプレーナ型導波路、25…光フ
ァイバ用コネクタ、26…光ファイバ、27…フェルー
ル、28…ガイド、29…プローブ筐体、30…光学レ
ンズ、31…レンズガイド、32…フォトダイオード、
33…誘電体基板、34…第1のコプレーナ型導波路、
35…第2のコプレーナ型導波路。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrical signal input terminal, 2 ... Electrical signal transmission medium, 3 ... Electrical signal mode conversion means, 4 ... Electrical signal transmission medium, 5 ... Contact motor, 11 ... Optical signal input terminal, 12 ... Optical signal transmission medium, 13 ... photoelectric conversion element, 14 ... first electric signal transmission medium, 15 ... electric signal waveform shaping circuit, 16 ... second electric signal transmission medium, 17 ... contactor, 18 ... optical waveguide, 19
... light condensing means, 20 ... voltage level shift circuit, 21 ... dielectric substrate, 22 ... solder bump, 23 ... first coplanar waveguide, 24 ... second coplanar waveguide, 25 ... optical fiber connector, 26 ... Optical fiber, 27 ... Ferrule, 28 ... Guide, 29 ... Probe housing, 30 ... Optical lens, 31 ... Lens guide, 32 ... Photodiode,
33 ... Dielectric substrate, 34 ... First coplanar waveguide,
35 ... Second coplanar waveguide.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試験半導体素子及び半導体集積素子の高
周波電気特性評価に用いる高周波プローブ装置におい
て、光信号入力端子と、光電気変換素子と、該光信号入
力端子に入力された光信号を該光電気変換素子へ導く光
信号伝送媒体と、電気信号を被試験素子の入力条件に整
合させる電気信号波形整形回路と、電気信号出力端子
と、該光電気変換素子の電気信号出力を該電気信号波形
整形回路へ導く第1の電気信号伝送媒体と、該電気信号
波形整形回路の電気信号出力を該電気信号出力端子へ導
く第2の電気信号伝送媒体と、によって構成されること
を特徴とする高周波プローブ装置。
1. A high-frequency probe device used for evaluating high-frequency electrical characteristics of a test semiconductor device and a semiconductor integrated device, comprising: an optical signal input terminal, an opto-electrical conversion element, and an optical signal input to the optical signal input terminal. An optical signal transmission medium for guiding to an electrical conversion element, an electrical signal waveform shaping circuit for matching an electrical signal with an input condition of a device under test, an electrical signal output terminal, and an electrical signal output of the photoelectric conversion element. A high frequency wave comprising a first electric signal transmission medium for guiding the electric signal waveform shaping circuit to a shaping circuit and a second electric signal transmission medium for guiding an electric signal output of the electric signal waveform shaping circuit to the electric signal output terminal. Probe device.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001244308A (en) * 2000-02-25 2001-09-07 Mitsubishi Electric Corp Probe for high frequency signal
US8139949B2 (en) 2007-07-27 2012-03-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrical signal transmission module, method of transmitting electric signals and electrical inspection apparatus having the same

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