第三代半導(dǎo)體器件可靠性檢測(cè)知多少？

        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(lái)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(guò)170家，雖然整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模和*還較小，但是增長(zhǎng)空間巨大，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“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)，國(guó)家發(fā)明patent7件、實(shí)用新型patent1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)體劃分為代、第二代和第三代。

        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“Ultimate Semiconductor”； *代表性、目前*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(wèn)題。

② 第三代半導(dǎo)體和代、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*替代代、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*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(lái)許多優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單來(lái)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(lái)說(shuō)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*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(guò)500萬(wàn)站，而5G宏基站、微基站、及毫米波基站帶來(lái)的GaN PA 市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)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(lái) 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(wèn)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。

圖：第三代半導(dǎo)體的一般檢測(cè)需求

        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*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(kāi)關(guān)速度及邊緣速率，在動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試設(shè)備開(kāi)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(wèn)題是一個(gè)突出的新問(wèn)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(kāi)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。

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(guò)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(guò)30個(gè)。