【技术大咖测试笔记系列】之七：2601B-PULSE让VCSEL设计人员更有信心

2023-07-16 11:25:18 | 人围观 | 评论:

　　作者：泰克科技技术大咖

　　夜深了，你正开车回家。你很累，想赶紧上床睡觉。突然，路中间出现了一个庞然大物。汽车紧急制动，防止撞上动物，同时防止脱离道路。通过光线检测和定距技术，也称为LIDAR，您的汽车成功地防止了一起车祸。

　　LIDAR是一种3D传感技术，采用各种波长的脉冲式激光，测量可变距离，检测车辆前方、后方或侧面的物体。LIDAR系统的核心是垂直腔表面发射激光器（VCSEL），这种半导体器件从顶部表面垂直发射激光。VCSEL从表面垂直发出光，使其成为LIDAR系统的完美器件。

　　VCSEL的优势之一，是能够在半导体晶圆上制造，可以简便地测试电气性能和光学性能。此外，由于LIDAR系统在阵列中要求数千个单独的VCSEL来执行关键事务型应用，因此必须在生产工作流程的各个阶段执行有效测试。通过各阶段测试，可以在早期剔除不良VCSEL，让结果更可预测，让良品率更可控，并降低铸造成本。

　　那么问题来了：VCSEL测试面临着一长串挑战，而且挑战只会随着技术进步不断提高。这篇博文意在更深入地考察这些挑战，以及泰克科技旗下公司吉时利最新推出的2601B-Pulse脉冲器/SMU仪器可以怎样帮助设计人员克服这些挑战。

　　使用传统SMU进行VCSEL测试的挑战

　　设计人员通常使用传统仪器测试VCSEL，如源测量单元（SMUs），但随着技术不断进步，测试挑战数量正不断增多。下面是其中五个最大的挑战。

　　第一，LIDAR使用的VCSEL要求更高的功率，因此需要更高的测试电流。引入更高的测试电流因自热提高了器件损坏的风险，在晶圆上测试时，这可能会成为问题，因为它会严重降低良品率。

　　第二，要求在晶圆上进行脉冲电流测试，以使器件热量达到最小，一般要求几十微秒的脉宽及一位数微秒或以下的上升时间。

　　第三，测试系统中使用的电缆长度及相关电感影响着仪器提供干净的、快速上升时间、无过冲、无下冲的脉冲的能力。

　　第四，对LIDAR应用，VCSEL通常被驱动到高达10 A，包括在阵列中。但巨大的挑战是生成短脉冲，短达10微秒，且上升时间非常短，通常不到2微秒。这一点非常关键，因为90%以上的VCSEL客户要求脉冲电流波形稳定，以保证光峰值功率、近场和远场测量的准确度。

　　第五，遗憾的是，并不是所有脉冲器/SMU仪器都会输出高质量脉冲。某些仪器容易过冲，上升时间长，下降时间长。许多仪器要求手动调谐来改善脉冲波形形状，特别是在为VCSEL提供电流脉冲时，其电感可能会在不同器件之间及因测试电缆电感而变化。

　　在电流以非常小的脉宽发送脉冲时，某些SMUs容易过冲，下降时间长。

　　最首要的，即使在特定电流电平下调谐脉冲输出，仍不能保证手动调谐可以得到一致的脉冲波形，特别是在测试脉冲式IV幅度扫描的VCSEL时。某些脉冲器/SMU解决方案要求大量的调谐参数，如带宽、补偿频率、零极点、负载阻抗和上升时间。但在生产测试中，在车间里调谐脉冲输出要么不方便，要么效率差。因此，行业一直要求泰克/吉时利这样的公司开发速度更快、电流更高的源和测量设备，以便提供他们所需的性能。

　　客户就这些问题与我们分享了许多关注事项，告诉我们：

　　·我们需要更短的电流脉冲，低达10 μs，但电流高达10 A。

　　·我们必须使脉宽达到最小，以提供更高的电流测试VCSEL和阵列。

　　·我们不能容忍器件变热，甚至可能烧毁探头尖端。

　　·电流脉冲的任何过冲都可能会导致器件损坏。

　　·我没时间不断调谐来获得最好的脉冲输出。

　　·如果波形不是高保真波形，那么可能会导致表征错误，进而导致良品率差及现场故障。

　　吉时利脉冲器/SMU解决方案

　　为应对客户反馈的挑战，吉时利最新开发了2601B-PULSE系统源表10 μs脉冲器/SMU仪器。最新2601B-PULSE采用脉冲表技术，是一种业界领先的高电流/高速脉冲器，提供了传统SMU的测量及全部功能。这种最新脉冲器在10 V时提供了领先的10 A电流脉冲输出，支持最低10 μs脉宽，特别适合测试LIDAR中使用的VCSEL、照明和显示器中的LED，以及半导体器件表征、浪涌保护测试等。

　　吉时利最新推出的2601B-PULSE系统源表10μs脉冲器/SMU仪器

　　脉冲器内置1 M样点/秒（MS/s） 18位模数转化器，可以同时采集脉冲电流和电压波形，而无需使用单独的仪器。2601B-PULSE是一种强大的解决方案，明显提升了各种应用中的生产效率，如台式表征及高度自动化脉冲式I-V生产测试。

　　这种新型仪器最具创新性的功能是不要求手动调谐，不管电流幅度是多少，也不管电感负载高达3 μH。在输出电流脉冲时，线缆和电感可能会成为难题。电感可能会有限制效应，甚至会带来损坏。电感在不同器件之间通常是不同的，即使是在测试晶圆上的激光二极管时。电感对电流源的影响在于，电感会阻止电流变化。这会导致电流源提高输出电压，在脉冲稳定时导致过冲和振铃，而这在测试中是不可接受的。

　　被测器件和测试系统电缆中的电感可能会影响输出电流脉冲的质量。

　　如前所述，某些解决方案要求调谐以补偿这些行为，可能会耗费很长时间。2601B-PULSE的控制环路系统对10 A以下任何电流3 μH以下负载变化不需要手动调谐，因此在输出10 μs ~ 500 μs脉冲时没有过冲和振铃。这保证了快速上升时间，可以为器件提供电流脉冲，正确表征器件或电路。在通过多个幅度扫描脉冲时，如VCSEL脉冲式LIV测试扫描中，这一点异常重要。下图显示了各种电流幅度时的高保真电流脉冲输出及2601B-PULSE的电感负载。