第三代半導體器件可靠性檢測知多少？

        第三代半導體作為一種理想的半導體材料，在新一代信息技術、新基建等領域得到了愈發廣泛的應用。根據CASA（第三代半導體產業技術創新戰略聯盟） Research數據顯示，2020年，我國第三代半導體產業整體總產值約7100億元，其中約7000億是LED相關產業，市場相對成熟；而SiC、GaN電力電子和GaN微波射頻產值加起來約100 億元，但同比增長分別達到54%和80.3%。截至2020年底，國內從事第三代半導體電力電子和微波射頻的企業超過170家，雖然整體產業規模和*還較小，但是增長空間巨大，具應用潛力，政策也在加碼扶持。

        對于國內企業而言，要獲取市場信任，檢測是證明第三代半導體質量與可靠性的可行手段，同時也是提高其質量可靠性的重要保障。為了更好地為行業解讀第三代半導體檢測需求，本文特邀廣電計量元器件篩選與失效分析中心總監李汝冠博士分享其對第三代半導體的認識。

李汝冠  廣電計量元器件篩選與失效分析中心總監

        電子科技大學博士，高級工程師，半導體相關領域近10年工作經驗，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，國家發明patent7件、實用新型patent1件，發表學術論文二十余篇，其中SCI收錄15篇。

① 第三代半導體是什么？

        目前國內將半導體劃分為代、第二代和第三代。

        代半導體指的是硅（Si）和鍺（Ge）元素半導體，以Si為主。目前世界上Si占半導體器件的95%以上，99%的集成電路都是由Si材料制作的。

        第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）化合物半導體為主，GaAs技術相對成熟已廣泛應用于信息通信產業，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和毫米波通訊，但是高質量的InP 單晶的制備更加困難，InP比GaAs更加昂貴。

        第三代半導體也就是寬禁帶半導體，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體，金剛石被成為“Ultimate Semiconductor”； *代表性、目前*發展潛力的第三代半導體是GaN和SiC；第三代半導體雖是一種很理想的半導體材料，但存在著生長困難、大尺寸技術未成熟、良率低、成本高等問題。

② 第三代半導體和代、第二代半導體的關系是什么？

        需要指出的是，第三代并不是要*替代代、第二代的意思。因第三代半導體是在一些場合中具有比Si器件明顯的優勢，而成為新一代信息技術產業和新基建的七大領域*的半導體材料。

圖：各種半導體禁帶寬度示意圖

        上圖體現了代、第二代、第三代半導體之間禁帶寬度的差異--第三代半導體的禁帶寬度幾乎是前面兩者的3倍。這為第三代半導體帶來許多優勢，簡單來講就是第三代半導體器件有“三高”：高頻率、高功率、高耐溫。同時第三代半導體在應用上能夠降低能耗、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 第三代半導體的應用領域及優勢

        第三代半導體在新基建七大領域都有其廣泛的應用前景。在5G基站領域， GaN PA（即氮化鎵功率放大器）是5G基站的*選擇，預計在2025年前，我國 5G 宏基站預計將建設超過500萬站，而5G宏基站、微基站、及毫米波基站帶來的GaN PA 市場規模將超過1000億元，而特高壓、高鐵和軌交、充電樁、大數據中心等高壓大功率領域都將是SiC的天下。

        同時第三代半導體對實現“碳達峰、碳中和”起到至關重要的作用。

④ 第三代半導體檢測需求

未來 5 年將是第三代半導體產業發展的關鍵期。然而，產業的發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。第三代半導體及器件為新材料、新器件、新技術，如何證明其質量與可靠性已具備使用條件？而這背后的實質，則是缺乏長期、大規模應用的歷史數據。產業技術的發展尤為依賴大量檢測數據支撐（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體的特點，目前國內外也提出了一些針對與第三代半導體的特殊檢測需求。

圖：第三代半導體的一般檢測需求

        第三代半導體特殊檢測需求，主要包括電流崩塌、動態參數、柵氧缺陷的參數分離、高壓H3TRB及高壓HAST、動態H3TRB、超高溫的溫度循環、超高溫的高溫工作、超長時間連續試驗、熱分析技術、SiC MOS體二極管雙極性退化、SiC MOS偏壓溫度不穩定性等等。

l 電流崩塌 ：GaN HEMT*的電流崩塌現象，需要準確評估 。

l 動態參數測試：SiC及GaN FET有更快的開關速度及邊緣速率，在動態參數測試設備開發上面臨新的挑戰，如何確保測試結果的可重復性及可靠性是急需攻克的難題

l 柵氧缺陷的參數分離 ：SiC MOS柵氧缺陷的參數分離分析系統，由于柵氧界面附近缺陷的作用，相比于Si器件，SiC MOSFET器件的性能不穩定問題是一個突出的新問題。柵氧界面缺陷及性能不穩定性是SiC MOSFET器件性能評測的重要參數，開發其測試技術和測試裝備不但對于器件性能評測，而且對于指導優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

        第三代半導體具有廣泛的應用，已成為戰略物資，被美國列入301管制清單。檢測是提高半導體器件質量與可靠性的重要保障，廣電計量作為國有檢測機構，在我國第三代半導體發展過程中，秉承國企擔當，為光電子、電力電子、微波射頻等第三代半導體三大應用領域構筑了較為全面的能力。目前，廣電計量在光電子檢測領域合作客戶數十家，涉及型號近百個；在電力電子領域，覆蓋了現行所有可靠性測試標準，單在SiC領域合作客戶十余家，涉及產品型號超過30個。