產(chǎn)品列表 / products
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),市場相對成熟;而SiC、GaN電力電子和GaN微波射頻產(chǎn)值加起來約100 億元,但同比增長分別達到54%和80.3%。截至2020年底,國內(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*還較小,但是增長空間巨大,具應(yīng)用潛力,政策也在加碼扶持。
對于國內(nèi)企業(yè)而言,要獲取市場信任,檢測是證明第三代半導(dǎo)體質(zhì)量與可靠性的可行手段,同時也是提高其質(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)體檢測需求,本文特邀廣電計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第三代半導(dǎo)體的認識。
李汝冠 廣電計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,高級工程師,半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域近10年工作經(jīng)驗,曾獲“國防科技進步二等獎”,廣東省人社廳“2020年度廣東省百名博士博士后創(chuàng)新人物”,主持省部級科研項目三項、參與重大課題研究六項,國家發(fā)明patent7件、實用新型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)體是在一些場合中具有比Si器件明顯的優(yōu)勢,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)體帶來許多優(yōu)勢,簡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
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)計在2025年前,我國 5G 宏基站預(yù)計將建設(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。
同時第三代半導(dǎo)體對實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”起到至關(guān)重要的作用。
④ 第三代半導(dǎo)體檢測需求
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)展與前進通常是在曲折中探索,其中一個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?而這背后的實質(zhì),則是缺乏長期、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數(shù)據(jù)支撐(性能測試、可靠性評估試驗、分析表征等)。
目前第三代半導(dǎo)體的檢測需求包含性能測試、可靠性評估試驗、分析表征等一般性測試,同時由于第三代半導(dǎo)體的特點,目前國內(nèi)外也提出了一些針對與第三代半導(dǎo)體的特殊檢測需求。
大分類 | 項目 | 簡稱(涉及到的相關(guān)內(nèi)容) |
性能參數(shù)測試 | 靜態(tài)參數(shù)測試 | BVDSS/VGS(th)/IDSS/IGSS/RDS(on)/gfs/Cies/Coes/Cres…… |
動態(tài)參數(shù)測試 | td(on) / td(off) / Tr / tf / Eon / Eoff / QG / Trr / Qrr…… | |
極限能力測試 | IFRM、IFSM、UIS | |
微波參數(shù)測試 | RL / IL / Gain / Pout / Efficiency…… | |
ESD測試 | HBM/CDM/TLP | |
專用測試 | / | |
可靠性評估 | 濕熱試驗 | TH/UHAST/Autoclave |
高溫高濕反偏試驗 | H3TRB/HAST/AC-HTC | |
溫度循環(huán)試驗 | TC | |
功率循環(huán)試驗 | PC/IOL | |
高溫工作壽命試驗 | HTRB/HTGB/HTOL/RF-HTOL | |
高低溫貯存試驗 | HTSL/LTSL | |
低壓試驗 | LPT | |
超長時間連續(xù)試驗 | / | |
分析儀器 | 無損分析 | X-Ray/SAT |
熱分析 | Electrical method/ Infrared radiation/ Raman scattering/ Thermoreflectance imaging | |
元素成分分析 | EDS/XPS/SIMS | |
結(jié)構(gòu)分析 | XRD/Raman | |
材料形貌分析 | SEM/TEM/AFM | |
缺陷定位分析 | EMMI/OBIRCH | |
微區(qū)定點制樣 | DB-FIB |
圖:第三代半導(dǎo)體的一般檢測需求
第三代半導(dǎo)體特殊檢測需求,主要包括電流崩塌、動態(tài)參數(shù)、柵氧缺陷的參數(shù)分離、高壓H3TRB及高壓HAST、動態(tài)H3TRB、超高溫的溫度循環(huán)、超高溫的高溫工作、超長時間連續(xù)試驗、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,需要準確評估 。
l 動態(tài)參數(shù)測試:SiC及GaN FET有更快的開關(guān)速度及邊緣速率,在動態(tài)參數(shù)測試設(shè)備開發(fā)上面臨新的挑戰(zhàn),如何確保測試結(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器件性能評測的重要參數(shù),開發(fā)其測試技術(shù)和測試裝備不但對于器件性能評測,而且對于指導(dǎo)優(yōu)化制造工藝具有非常重要的作用和實際意義。
⑤ 廣電計量解決方案
第三代半導(dǎo)體具有廣泛的應(yīng)用,已成為戰(zhàn)略物資,被美國列入301管制清單。檢測是提高半導(dǎo)體器件質(zhì)量與可靠性的重要保障,廣電計量作為國有檢測機構(gòu),在我國第三代半導(dǎo)體發(fā)展過程中,秉承國企擔當,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,廣電計量在光電子檢測領(lǐng)域合作客戶數(shù)十家,涉及型號近百個;在電力電子領(lǐng)域,覆蓋了現(xiàn)行所有可靠性測試標準,單在SiC領(lǐng)域合作客戶十余家,涉及產(chǎn)品型號超過30個。