干货 | 第三代半导体器件可靠性检测知多少？

        第三代半导体作为一种理想的半导体材料，在新一代信息技术、新基建等领域得到了愈发广泛的应用。根据CASA（第三代半导体产业技术创新战略联盟） Research数据显示，2020年，我国第三代半导体产业整体总产值约7100亿元，其中约7000亿是LED相关产业，市场相对成熟；而SiC、GaN电力电子和GaN微波射频产值加起来约100 亿元，但同比增长分别达到54%和80.3%。截至2020年底，国内从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业超过170家，虽然整体产业规模和市场份额还较小，但是增长空间巨大，极具应用潜力，政策也在加码扶持。

 

        对于国内企业而言，要获取市场信任，检测是证明第三代半导体质量与可靠性的可行手段，同时也是提高其质量可靠性的重要保障。为了更好地为行业解读第三代半导体检测需求，本文特邀广电计量元器件筛选与失效分析中心总监李汝冠博士分享其对第三代半导体的认识。

李汝冠  广电计量元器件筛选与失效分析中心总监

 

        电子科技大学博士，高级工程师，半导体相关领域近10年工作经验，曾获工信部“国防科技进步二等奖”，广东省人社厅“2020年度广东省百名博士博士后创新人物”，主持省部级科研项目三项、参与重大课题研究六项，授权国家发明专利7件、实用新型专利1件，发表学术论文二十余篇，其中SCI收录15篇。

 

① 第三代半导体是什么？

 

        目前国内将半导体划分为第一代、第二代和第三代。

 

        第一代半导体指的是硅（Si）和锗（Ge）元素半导体，以Si为主。目前世界上Si占半导体器件的95%以上，99%的集成电路都是由Si材料制作的。

 

        第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）化合物半导体为主，GaAs技术相对成熟已广泛应用于信息通信产业，但由于原材料昂贵且具有毒性所以具有一定的局限性。InP主要用于光纤通讯技术和毫米波通讯，但是高质量的InP 单晶的制备更加困难，InP比GaAs更加昂贵。

 

        第三代半导体也就是宽禁带半导体，包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、氧化钾（Ga2O3）、金刚石等。Ga2O3又被称为超宽禁带半导体，金刚石被成为“终极半导体”； 最具代表性、目前最具发展潜力的第三代半导体是GaN和SiC；第三代半导体虽是一种很理想的半导体材料，但存在着生长困难、大尺寸技术未成熟、良率低、成本高等问题。

 

② 第三代半导体和第一代、第二代半导体的关系是什么？

        需要指出的是，第三代并不是要完全替代第一代、第二代的意思。因第三代半导体是在一些场合中具有比Si器件明显的优势，而成为新一代信息技术产业和新基建的七大领域不可或缺的半导体材料。

 

 

图：各种半导体禁带宽度示意图

 

        上图体现了第一代、第二代、第三代半导体之间禁带宽度的差异--第三代半导体的禁带宽度几乎是前面两者的3倍。这为第三代半导体带来许多优势，简单来讲就是第三代半导体器件有“三高”：高频率、高功率、高耐温。同时第三代半导体在应用上能够降低能耗、减小体积、减小重量，简单来说是有三低：能耗低、体积小、重量轻。

 

③ 第三代半导体的应用领域及优势

 

        第三代半导体在新基建七大领域都有其广泛的应用前景。在5G基站领域， GaN PA（即氮化镓功率放大器）是5G基站的最优选择，预计在2025年前，我国 5G 宏基站预计将建设超过500万站，而5G宏基站、微基站、及毫米波基站带来的GaN PA 市场规模将超过1000亿元，而特高压、高铁和轨交、充电桩、大数据中心等高压大功率领域都将是SiC的天下。

 

 

        同时第三代半导体对实现“碳达峰、碳中和”起到至关重要的作用。

 

 

 

④ 第三代半导体检测需求

      未来 5 年将是第三代半导体产业发展的关键期。然而，产业的发展与前进通常是在曲折中探索，其中一个需要解决的就是信任问题。第三代半导体及器件为新材料、新器件、新技术，如何证明其质量与可靠性已具备使用条件？而这背后的实质，则是缺乏长期、大规模应用的历史数据。产业技术的发展尤为依赖大量检测数据支撑（性能测试、可靠性评估试验、分析表征等）。

 

目前第三代半导体的检测需求包含性能测试、可靠性评估试验、分析表征等一般性测试，同时由于第三代半导体的特点，目前国内外也提出了一些针对与第三代半导体的特殊检测需求。

 

大分类	项目	简称(涉及到的相关内容)
性能参数测试	静态参数测试	BVDSS/VGS(th)/IDSS/IGSS/RDS(on)/gfs/Cies/Coes/Cres……
	动态参数测试	td(on) / td(off) / Tr / tf / Eon / Eoff / QG / Trr / Qrr……
	极限能力测试	IFRM、IFSM、UIS
	微波参数测试	RL / IL / Gain / Pout / Efficiency……
	ESD测试	HBM/CDM/TLP
	专用测试	/
可靠性评估	湿热试验	TH/UHAST/Autoclave
	高温高湿反偏试验	H3TRB/HAST/AC-HTC
	温度循环试验	TC
	功率循环试验	PC/IOL
	高温工作寿命试验	HTRB/HTGB/HTOL/RF-HTOL
	高低温贮存试验	HTSL/LTSL
	低压试验	LPT
	超长时间连续试验	/
分析仪器	无损分析	X-Ray/SAT
	热分析	Electrical method/ Infrared radiation/ Raman scattering/ Thermoreflectance imaging
	元素成分分析	EDS/XPS/SIMS
	结构分析	XRD/Raman
	材料形貌分析	SEM/TEM/AFM
	缺陷定位分析	EMMI/OBIRCH
	微区定点制样	DB-FIB

 

        第三代半导体特殊检测需求，主要包括电流崩塌、动态参数、栅氧缺陷的参数分离、高压H3TRB及高压HAST、动态H3TRB、超高温的温度循环、超高温的高温工作、超长时间连续试验、热分析技术、SiC MOS体二极管双极性退化、SiC MOS偏压温度不稳定性等等。

 

l 电流崩塌 ：GaN HEMT特有的电流崩塌现象，需要准确评估 。

 

l 动态参数测试：SiC及GaN FET有更快的开关速度及边缘速率，在动态参数测试设备开发上面临新的挑战，如何确保测试结果的可重复性及可靠性是急需攻克的难题

 

l 栅氧缺陷的参数分离 ：SiC MOS栅氧缺陷的参数分离分析系统，由于栅氧界面附近缺陷的作用，相比于Si器件，SiC MOSFET器件的性能不稳定问题是一个突出的新问题。栅氧界面缺陷及性能不稳定性是SiC MOSFET器件性能评测的重要参数，开发其测试技术和测试装备不但对于器件性能评测，而且对于指导优化制造工艺具有非常重要的作用和实际意义。

 

⑤ 广电计量解决方案

        第三代半导体具有广泛的应用，已成为战略物资，被美国列入301管制清单。检测是提高半导体器件质量与可靠性的重要保障，广电计量作为国有检测机构，在我国第三代半导体发展过程中，秉承国企担当，为光电子、电力电子、微波射频等第三代半导体三大应用领域构筑了较为全面的能力。目前，广电计量在光电子检测领域合作客户数十家，涉及型号近百个；在电力电子领域，覆盖了现行所有可靠性测试标准，单在SiC领域合作客户十余家，涉及产品型号超过30个；在微波射频领域，助力完成国内第一个车规标准的微波射频的测试，并向更高频率、更高功率领域布局。