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*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*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。
大分類
項(xiàng)目
簡(jiǎn)稱(涉及到的相關(guān)內(nèi)容)
性能參數(shù)測(cè)試
靜態(tài)參數(shù)測(cè)試
bvdss/vgs(th)/idss/igss/rds(on)/gfs/cies/coes/cres……
動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試
td(on) / td(off) / tr / tf / eon / eoff / qg / trr / qrr……
極限能力測(cè)試
ifrm、ifsm、uis
微波參數(shù)測(cè)試
rl / il / gain / pout / efficiency……
esd測(cè)試
hbm/cdm/tlp
專用測(cè)試
/
可靠性評(píng)估
濕熱試驗(yàn)
th/uhast/autoclave
高溫高濕反偏試驗(yàn)
h3trb/hast/ac-htc
溫度循環(huán)試驗(yàn)
tc
功率循環(huán)試驗(yàn)
pc/iol
高溫工作壽命試驗(yàn)
htrb/htgb/htol/rf-htol
高低溫貯存試驗(yàn)
htsl/ltsl
低壓試驗(yàn)
lpt
超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)
/
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(diǎn)制樣
db-fib
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。
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)。