第三代半導(dǎo)體作為一種理想的半導(dǎo)體材料，在新一代信息技術(shù)、新基建等領(lǐng)域得到了愈發(fā)廣泛的應(yīng)用。根據(jù)CASA（第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟） Research數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體總產(chǎn)值約7100億元，其中約7000億是LED相關(guān)產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)相對(duì)成熟；而SiC、GaN電力電子和GaN微波射頻產(chǎn)值加起來約100 億元，但同比增長(zhǎng)分別達(dá)到54%和80.3%。截至2020年底，國(guó)內(nèi)從事第三代半導(dǎo)體電力電子和微波射頻的企業(yè)超過170家，雖然整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)份額還較小，但是增長(zhǎng)空間巨大，極具應(yīng)用潛力，政策也在加碼扶持。
對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)而言，要獲取市場(chǎng)信任，檢測(cè)是證明第三代半導(dǎo)體質(zhì)量與可靠性的可行手段，同時(shí)也是提高其質(zhì)量可靠性的重要保障。為了更好地為行業(yè)解讀第三代半導(dǎo)體檢測(cè)需求，本文特邀廣電計(jì)量元器件篩選與失效分析中心總監(jiān)李汝冠博士分享其對(duì)第三代半導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)。
李汝冠 廣電計(jì)量元器件篩選與失效分析中心總監(jiān)
電子科技大學(xué)博士，高級(jí)工程師，半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域近10年工作經(jīng)驗(yàn)，曾獲工信部“國(guó)防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)”，廣東省人社廳“2020年度廣東省百名博士博士后創(chuàng)新人物”，主持省部級(jí)科研項(xiàng)目三項(xiàng)、參與重大課題研究六項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利7件、實(shí)用新型專利1件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文二十余篇，其中SCI收錄15篇。
① 第三代半導(dǎo)體是什么？
目前國(guó)內(nèi)將半導(dǎo)體劃分為第一代、第二代和第三代。
第一代半導(dǎo)體指的是硅（Si）和鍺（Ge）元素半導(dǎo)體，以Si為主。目前世界上Si占半導(dǎo)體器件的95%以上，99%的集成電路都是由Si材料制作的。
第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）化合物半導(dǎo)體為主，GaAs技術(shù)相對(duì)成熟已廣泛應(yīng)用于信息通信產(chǎn)業(yè)，但由于原材料昂貴且具有毒性所以具有一定的局限性。InP主要用于光纖通訊技術(shù)和毫米波通訊，但是高質(zhì)量的InP 單晶的制備更加困難，InP比GaAs更加昂貴。
第三代半導(dǎo)體也就是寬禁帶半導(dǎo)體，包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、氧化鉀（Ga2O3）、金剛石等。Ga2O3又被稱為超寬禁帶半導(dǎo)體，金剛石被成為“終極半導(dǎo)體”； 最具代表性、目前最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌雽?dǎo)體是GaN和SiC；第三代半導(dǎo)體雖是一種很理想的半導(dǎo)體材料，但存在著生長(zhǎng)困難、大尺寸技術(shù)未成熟、良率低、成本高等問題。
② 第三代半導(dǎo)體和第一代、第二代半導(dǎo)體的關(guān)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。因第三代半導(dǎo)體是在一些場(chǎng)合中具有比Si器件明顯的優(yōu)勢(shì)，而成為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新基建的七大領(lǐng)域不可或缺的半導(dǎo)體材料。
圖：各種半導(dǎo)體禁帶寬度示意圖
上圖體現(xiàn)了第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體之間禁帶寬度的差異--第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度幾乎是前面兩者的3倍。這為第三代半導(dǎo)體帶來許多優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單來講就是第三代半導(dǎo)體器件有“三高”：高頻率、高功率、高耐溫。同時(shí)第三代半導(dǎo)體在應(yīng)用上能夠降低能耗、減小體積、減小重量，簡(jiǎn)單來說是有三低：能耗低、體積小、重量輕。
③ 第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)
第三代半導(dǎo)體在新基建七大領(lǐng)域都有其廣泛的應(yīng)用前景。在5G基站領(lǐng)域， GaN PA（即氮化鎵功率放大器）是5G基站的最優(yōu)選擇，預(yù)計(jì)在2025年前，我國(guó) 5G 宏基站預(yù)計(jì)將建設(shè)超過500萬站，而5G宏基站、微基站、及毫米波基站帶來的GaN PA 市場(chǎng)規(guī)模將超過1000億元，而特高壓、高鐵和軌交、充電樁、大數(shù)據(jù)中心等高壓大功率領(lǐng)域都將是SiC的天下。
同時(shí)第三代半導(dǎo)體對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”起到至關(guān)重要的作用。
④ 第三代半導(dǎo)體檢測(cè)需求
未來 5 年將是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵期。然而，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與前進(jìn)通常是在曲折中探索，其中一個(gè)需要解決的就是信任問題。第三代半導(dǎo)體及器件為新材料、新器件、新技術(shù)，如何證明其質(zhì)量與可靠性已具備使用條件？而這背后的實(shí)質(zhì)，則是缺乏長(zhǎng)期、大規(guī)模應(yīng)用的歷史數(shù)據(jù)。產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展尤為依賴大量檢測(cè)數(shù)據(jù)支撐（性能測(cè)試、可靠性評(píng)估試驗(yàn)、分析表征等）。
目前第三代半導(dǎo)體的檢測(cè)需求包含性能測(cè)試、可靠性評(píng)估試驗(yàn)、分析表征等一般性測(cè)試，同時(shí)由于第三代半導(dǎo)體的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外也提出了一些針對(duì)與第三代半導(dǎo)體的特殊檢測(cè)需求。
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大分類
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項(xiàng)目
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簡(jiǎn)稱(涉及到的相關(guān)內(nèi)容)
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性能參數(shù)測(cè)試
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靜態(tài)參數(shù)測(cè)試
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BVDSS/VGS(th)/IDSS/IGSS/RDS(on)/gfs/Cies/Coes/Cres……
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動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試
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td(on) / td(off) / Tr / tf / Eon / Eoff / QG / Trr / Qrr……
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極限能力測(cè)試
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IFRM、IFSM、UIS
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微波參數(shù)測(cè)試
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RL / IL / Gain / Pout / Efficiency……
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ESD測(cè)試
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HBM/CDM/TLP
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專用測(cè)試
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可靠性評(píng)估
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濕熱試驗(yàn)
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TH/UHAST/Autoclave
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高溫高濕反偏試驗(yàn)
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H3TRB/HAST/AC-HTC
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溫度循環(huán)試驗(yàn)
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TC
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功率循環(huán)試驗(yàn)
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PC/IOL
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高溫工作壽命試驗(yàn)
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HTRB/HTGB/HTOL/RF-HTOL
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高低溫貯存試驗(yàn)
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HTSL/LTSL
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低壓試驗(yàn)
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LPT
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超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)
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分析儀器
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無損分析
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X-Ray/SAT
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熱分析
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Electrical method/ Infrared radiation/ Raman scattering/ Thermoreflectance imaging
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元素成分分析
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EDS/XPS/SIMS
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結(jié)構(gòu)分析
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XRD/Raman
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材料形貌分析
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SEM/TEM/AFM
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缺陷定位分析
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EMMI/OBIRCH
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微區(qū)定點(diǎn)制樣
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DB-FIB
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第三代半導(dǎo)體特殊檢測(cè)需求，主要包括電流崩塌、動(dòng)態(tài)參數(shù)、柵氧缺陷的參數(shù)分離、高壓H3TRB及高壓HAST、動(dòng)態(tài)H3TRB、超高溫的溫度循環(huán)、超高溫的高溫工作、超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)、熱分析技術(shù)、SiC MOS體二極管雙極性退化、SiC MOS偏壓溫度不穩(wěn)定性等等。
l 電流崩塌 ：GaN HEMT特有的電流崩塌現(xiàn)象，需要準(zhǔn)確評(píng)估 。
l 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試：SiC及GaN FET有更快的開關(guān)速度及邊緣速率，在動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試設(shè)備開發(fā)上面臨新的挑戰(zhàn)，如何確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性及可靠性是急需攻克的難題
l 柵氧缺陷的參數(shù)分離 ：SiC MOS柵氧缺陷的參數(shù)分離分析系統(tǒng)，由于柵氧界面附近缺陷的作用，相比于Si器件，SiC MOSFET器件的性能不穩(wěn)定問題是一個(gè)突出的新問題。柵氧界面缺陷及性能不穩(wěn)定性是SiC MOSFET器件性能評(píng)測(cè)的重要參數(shù)，開發(fā)其測(cè)試技術(shù)和測(cè)試裝備不但對(duì)于器件性能評(píng)測(cè)，而且對(duì)于指導(dǎo)優(yōu)化制造工藝具有非常重要的作用和實(shí)際意義。
對(duì)于其它特殊測(cè)試，由于篇幅受限，歡迎點(diǎn)擊下方獲取詳細(xì)課件，了解全部第三代半導(dǎo)體檢測(cè)需求。
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⑤ 廣電計(jì)量解決方案
第三代半導(dǎo)體具有廣泛的應(yīng)用，已成為戰(zhàn)略物資，被美國(guó)列入301管制清單。檢測(cè)是提高半導(dǎo)體器件質(zhì)量與可靠性的重要保障，廣電計(jì)量作為國(guó)有檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在我國(guó)第三代半導(dǎo)體發(fā)展過程中，秉承國(guó)企擔(dān)當(dāng)，為光電子、電力電子、微波射頻等第三代半導(dǎo)體三大應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)筑了較為全面的能力。目前，廣電計(jì)量在光電子檢測(cè)領(lǐng)域合作客戶數(shù)十家，涉及型號(hào)近百個(gè)；在電力電子領(lǐng)域，覆蓋了現(xiàn)行所有可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，單在SiC領(lǐng)域合作客戶十余家，涉及產(chǎn)品型號(hào)超過30個(gè)；在微波射頻領(lǐng)域，助力完成國(guó)內(nèi)第一個(gè)車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的微波射頻的測(cè)試，并向更高頻率、更高功率領(lǐng)域布局。