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第三代半导体电力电子产业 测试条件和能力报告 第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA) 2018 年 3 月 I 目录 前言. I 第一章 检测检验机构概述与发展趋势. 0 1.1 概述 . 0 1.2 检测能力资质认证和认可 . 1 1.2.1 CMA 资质认定 . 1 1.2.2 CNAS 实验室认可 . 3 1.2.3 DILAC 国防实验室认可 . 4 1.3 检验检测机构发展趋势 . 4 1.3.1 检验检测行业市场概况 . 4 1.3.2 检验检测行业“供给侧”改革 . 5 第二章 第三代半导体与电力电子测试. 8 2.1 衬底 . 8 2.1.1 概述 . 8 2.1.2 X 射线衍射 . 10 2.1.3 霍尔效应测试 . 11 2.2 外延片 . 11 2.2.1 概述 . 11 2.2.2 X 射线光电子能谱(XPS) . 13 2.2.3 Raman 散射 . 14 2.2.4 扫面电子显微镜(SEM) . 14 2.2.5 原子力显微镜(AFM) . 15 2.2.6 傅立叶红外干涉测厚法(FTIR) . 15 2.3 芯片和器件 . 15 II 2.3.1 SiC 电力电子器件 . 15 2.3.2 GaN 电力电子器件-HEMT . 28 2.4 应用部件及系统 . 36 2.4.1 消费类电子 . 36 2.4.2 新能源并网 . 41 2.4.3 不间断电源 . 49 2.4.4 电动汽车 . 53 2.4.5 电机控制器 . 58 2.4.6 轨道交通用电力电子变流器 . 60 2.4.7 国家电网 . 63 第三章 测试机构和测试能力. 72 3.1 测试机构概述 . 72 3.2 中国科学院半导体研究所 . 74 3.2.1 基本情况 . 74 3.2.2 测试设备 . 74 3.2.3 测试能力 . 75 3.3 中国科学院微电子研究所 . 77 3.3.1 基本情况 . 77 3.3.2 半导体功率器件测试设备 . 78 3.4 中国科学院电工研究所 . 84 3.4.1 高频场控功率器件及装置产品质量检验中心 . 84 3.4.2 太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心 . 87 3.5 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 . 88 3.5.1 基本情况 . 88 III 3.5.2 测试设备 . 89 3.5.3 测试能力 . 90 3.6 中电科第四十六所中世博实验室 . 92 3.6.1 基本情况 . 92 3.6.2 测试设备 . 93 3.6.3 测试能力 . 93 3.7 中国电子科技集团公司第十三研究所检测中心 . 98 3.8 西安电力电子技术研究所电力电子实验室 . 99 3.9 中国电子技术标准化研究所赛西实验室 . 107 3.9.1 基本情况 . 107 3.9.2 元器件测试中心-测试服务能力 . 108 3.10 北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司中心实验室 . 111 3.11 西安芯派电子科技有限公司测试应用中心 . 112 3.12 中家院(北京)检测认证有限公司 . 113 3.13 上海电器设备检测所 . 113 3.14 广东产品质量监督检验研究院 . 114 3.15 中国电力科学研究院 . 115 3.16 工业和信息化部电信研究院泰尔实验室 . 116 3.17 中汽研汽车检验中心(天津)有限公司 . 117 3.18 天津电气科学研究院有限公司 . 119 3.19 中国铁道科学研究院高速铁路系统试验国家工程实验室 . 120 3.20 中车株洲电机有限公司检测试验中心 . 124 3.21 全球能源互联网有限公司 . 127 IV 第四章 第三代半导体电力电子产业测试服务分析. 129 4.1 标准体系需要进一步完善,测试服务才能有标可依 . 129 4.1.1 SiC 器件产业化开始进入成熟期 . 129 4.1.2 新型技术发展推动下,器件测试方法有待更新和完善 . 130 4.1.3 器件应用功能化模块环节,标准缺失,测试无标可依 . 131 4.2 测试设备依赖进口,测试能力建设前期资金需求巨大,且设备到货期比较长 . 131 4.3 应用规模开启还需时日,测试服务市场前景不明 . 133 4.4 标准、测试、认证服务于应用市场开启的综合能力有待建立 . 134 4.4.1 认证概述 . 134 4.4.2 中国质量认证中心 . 134 4.4.3 泰尔认证电源类产品 . 136 4.4.4 中铁检验认证中心 . 136 4.4.5 鉴衡认证 . 137 4.4.6 标准、测试和认证协调发展面临一定的挑战 . 138 第五章 产业测试能力建设工作建议. 140 5.1 依托联盟制定标准,以保证测试有标可依 . 140 5.2 调研测试设备国产化可行性,推动国产测试设备的研发 . 140 5.3 整合资源,确保产业化进程和测试服务能力并行发展 . 142 5.4 建立服务于创新技术产业化的标准、测试、认证服务体系 . 142 5.4.1 自愿性产品认证处于起步阶段 . 142 5.4.2 国家鼓励以联盟标准作为认证依据 . 143 5.4.3 调研联盟标准实施方案,推动建立服务于产业市场开拓的检测认证体系 . 144 I 前言 第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于 Si(1.1eV)和 GaAs(1.4eV)的宽禁带半导体材料,主要包括族氮化物(如氮化镓(GaN) 、氮化铝(AlN)等) 、碳化硅(SiC) 、氧化物半导体(如氧化锌(ZnO) 、氧化镓(Ga2O3) 、钙钛矿(CaTiO3)等)和金刚石等宽禁带半导体材料。由于第三代半导体宽禁带的特点,其具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性能,因此特别适用于制作高温、高压、大功率的半导体器件,其中最具代表性和目前产业化进程最快的是 SiC 和 GaN 材料。 电力电子是现代科学、工业和国防的重要支撑技术,半导体器件是电力电子技术的核心和基础, 其应用是电力电子技术发展的驱动力。电力电子应用广泛,鉴于第三代半导体的技术优势和现状,应用领域包括消费类电子中的电源适配器、冰箱洗衣机中的变频器,新能源并网的光伏逆变器、风力发动机变流器、储能变流器,电动汽车涉及的非车载充电机、车载充电机、电机控制器,工业电机中的变频器,轨道交通中的变流器、 智能电网中的电力电子变压器、 电压源换流器等。 本报告梳理了第三代半导体电力电子产业上、中、下游相关的测试单位,分析了标准、测试、认证的现有机制,为产业测试平台建设提供参考。 0 第一章 检测检验机构概述与发展趋势 1.1 概述 检验检测又称公正检验,是由处于买卖利益之外的第三方,以公正、权威的非当事人身份,根据有关法律、标准或合同所进行的商品检验活动。检验检测资源是国家经济建设、社会管理和公共事务的重要技术支撑,是承担检验、检测、检疫、鉴定、检查、计量、校准、教学和科研等工作的载体,是国家综合国力、科技、经济、军事能力水平的象征。 2011 年的国务院办公厅关于加快发展高技术服务业的指导意见文件,对于检验检测行业具有历史意义。此前,检验检测行业作为轻工、卫生、环保、食药等不同行业的辅助技术支撑部门,而该文件的发布确立了检验检测行业作为独立的行业而存在, 同时确定检验检测行业为高技术服务业。同年,国家统计局发文明确了服务业统计制度,其中包含检验检测服务业统计项目。近年,包括发改委等多部门围绕检验检测在内的高技术服务业相继出台了一系列扶持和激励的政策以及措施。另外,认监委组织的检验检测立法研究工作也在有序进行中。种种利好情况表明:检验检测作为一个独立的行业,其各种配套制度正在逐步健全和完善, 检验检测行业也迎来了发展机遇期。 2005 年至 2015 年,实验室体制构成发生了根本性的变化,事业单位制比例呈现逐年下降趋势, 企业制取代事业单位制成为我国检验 浅谈我国检验检测机构资源整合及发展J. 翟博洋,乔东,谭晓东. 现代测量与实验室管理. 2013(05) 1 检测机构的构成主体。近几年,检验检测行业的快速发展也吸引了社会资本的关注,一些社会资本开始进入检验检测行业,加之越来越多的检验检测机构深化结构改革, 我国检验检测市场的整体运行方式已经发生根本性变化, 由政府主导投资及业务来源带有浓厚行政色彩的传统模式向市场主导的自由竞争模式转变。 1.2 检测能力资质认证和认可 1.2.1 CNAS 实验室认可实验室认可 中国合格评定国家认可委员会 (英文缩写为: CNAS) 是根据 中华人民共和国认证认可条例的规定,由国家认证认可监督管理委员会 (CNCA) 批准设立并授权的国家认可机构, 统一负责对认证机构、实验室和检验机构等相关机构的认可工作。 获得认可的实验室可以通过中国合格评定国家认可委员会的网站上查询获得认可的检测能力范围。 国际认可论坛国际认可论坛 (International Accreditation Forum, 英文缩写 IAF) ,成立于 1993 年 1 月,是由世界范围内的合格评定认可机构和其他有意在管理体系、产品、服务、人员和其他相似领域内从事合格评定活动的相关机构共同组成的国际合作组织。 IAF 的目标是:遵循世界贸易组织(WTO)贸易技术壁垒协定(TBT)的原则,通过各国认可机构在相关认可制度等方面的广泛交流,促进和实现认证活动和结果的国际互认,减少或削除因认证而导致的国际贸易技术壁垒,促进国际贸易的发展。 IAF 建立了国际认可论坛多边承认协议国际认可论坛多边承认协议(IAF MLA) 。国家认可 2 机构只有加入了 IAF MLA 集团,才能表明其认可结果是等效的,带有该签约方认可标志的认证证书才具有国际等效性和互认性。 国际实验室认可合作组织国际实验室认可合作组织(International Laboratory Accreditation Cooperation,英文缩写仍为 ILAC)的前身是 1978 年产生的国际实验室认可大会(International Laboratory Accreditation Conference,ILAC) ,其宗旨是通过提高对获认可实验室出具的检测和校准结果的接受程度,以便在促进国际贸易方面建立国际合作。 CNAS 继续保持我国认可机构在 IAF 的中国代表机构, 以及 IAF质量管理体系认证机构认可、环境管理体系认证机构认可、产品认证机构认可三个认可领域的多边互认协议签约方的地位。 CNAS 继续保持我国认可机构在 ILAC 中实验室认可多边互认协议方的地位。 实验室认可的意义体现在: (1)表明具备了按相应认可准则开展检测和校准服务的技术能力;(2) 增强市场竞争能力, 赢得政府部门、社会各界的信任; (3)获得签署互认协议方国家和地区认可机构的承认; (4)有机会参与国际间合格评定机构认可双边、多边合作交流;(5)可在认可的范围内使用 CNAS 国家实验室认可标志和 ILAC 国际互认联合标志; (6)列入获准认可机构名录,提高知名度。 1.2.2 CMA 资质认定资质认定 为了规范检验检测机构资质认定工作, 加强对检验检测机构的监督管理,2015 年,国家质量监督检验检疫总局发布检验检测机构资质认定管理办法 (总局令第 163 号) , “第二条 本办法所称检验检测机构,是指依法成立,依据相关标准或者技术规范,利用仪器设 3 备、环境设施等技术条件和专业技能,对产品或者法律法规规定的特定对象进行检验检测的专业技术组织。本办法所称资质认定,是指省级以上质量技术监督部门依据有关法律法规和标准、 技术规范的规定,对检验检测机构的基本条件和技术能力是否符合法定要求实施的评价许可。资质认定包括检验检测机构计量认证。 ” “第三条 检验检测机构从事下列活动, 应当取得资质认定:(一)为司法机关作出的裁决出具具有证明作用的数据、结果的; (二)为行政机关作出的行政决定出具具有证明作用的数据、结果的; (三)为仲裁机构作出的仲裁决定出具具有证明作用的数据、 结果的;(四)为社会经济、公益活动出具具有证明作用的数据、结果的; (五)其他法律法规规定应当取得资质认定的。 ” “第十三条 资质认定证书内容包括:发证机关、获证机构名称和地址、检验检测能力范围、有效期限、证书编号、资质认定标志。 检验检测机构资质认定标志,由 China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval 的英文缩写 CMA 形成的图案和资质认定证书编号组成。式样如下: 4 1.2.3 DILAC 国防实验室认可国防实验室认可 根据国防科技工业实验室认可委员会章程 ,国防科技工业实验室认可委员会(以下简称“国防认可委” )是根据中华人民共和国认可条例 规定, 经国防科工委批准设立并授权的实验室认可机构,统一负责承担国防科技工业检测和校准任务的检测和校准实验室认可的相关工作。国防认可委接受国防科工委的领导和监督,认可工作接受国务院认可监督管理部门的指导。 国防科技工业实验室认可工作是根据 中华人民共和国认可条例的有关规定,为实现“军民结合、寓军于民”的方针,与国家实验室认可工作相结合而产生的一项认可制度, 是国家实验室认可工作的重要组成部分,其目的是促进军工实验室为国民经济服务,同时吸收先进的民用实验室参与国防建设。 这项工作是提升国防科技工业实验室技术能力和管理水平、增强军工科研生产保障能力、适应国防现代化建设发展的重要举措。对增强我国国防科技工业的整体素质、确保武器装备和航天、航空、船舶、核电等民用产品的质量具有重要意义。 1.3 检验检测机构发展趋势 1.3.1 检验检测行业市场概况检验检测行业市场概况 目前,我国检验检测行业正在超速发展。据国家认监委发布的数据,2013 年检验检测市场规模为 1678 亿元,2014 年为 2105 亿元,2015 年为 2574 亿元。2013 年至 2015 年,检测机构数量和营业收入增长迅猛,每年均以 12%以上的速度增长。但值得注意的是,平均每家机构出具的报告份数却呈现逐年下降趋势, 这也反映出近几年检测 5 机构扩张加快,竞争激烈态势加剧。而第三方检测作为我国检测行业的重要组成部分,目前占整体产业规模的 41%左右,2014 年我国第三方检测产业规模约为 1055.3 亿元。 我国检测行业的参与者按照企业性质可划分为政府检测机构政府检测机构、 企企业内部实验室业内部实验室与第三方检测机构第三方检测机构三类。 政府检测机构政府检测机构主要从政府应保护人们生命财产安全的指责出发,业务主要涉及市场准入、监督检验检测、CCC 认证、生产许可证、定检、评优、免检等方面。 企业内部实验室企业内部实验室主要为满足企业自身生产过程中的质量控制需求,在来料进厂和成品出厂环节进行把关,并在产品研发过程中提供各项数据以辅助研发工作。 独立第三方检测机构第三方检测机构包括外资独立第三方检测机构和民营独立第三方检测机构两大类。 由于独立第三方检测机构处于交易双方的利益之外,所出具的检测数据具有独立性及公正性的特点,因此已被市场各方所广泛接受。 在全国检测市场中, 国有检测机构利用传统垄断优势占据了 55%以上的市场份额; 外资检测机构利用其成熟的市场运作经验及在出口贸易检测业务中的天然优势占据了市场 30%以上的市场份额; 民营检测机构起步晚,资本实力小,经过几年的快速发展,市场份额接近10%。 1.3.2 检验检测行业“供给侧”改革检验检测行业“供给侧”改革 检验检测行业也面临 “供给侧改革” : 去库存、 去泡沫、 去产能、 6 去杠杆。如若政府不改革,市场会倒逼,会自行发挥资源重新调配的能力。按照目前的趋势,检测机构数量仍会上升,预计 4 万余家会达到峰值,趋于饱和。历年的检验检测机构飞行检查中,100 家中平均有 2 家停业,无法实施检查。而在 2016 年的飞行检查中,100 家平均有近 10 家出现此种情况,说明名存实亡的机构数量增多。 检测机构数量快速增长的背后其实呈现出了 “虚假繁荣” 的现象。一方面,检测机构尤其是国有机构资源闲置率高。另一方面政府对检验检测投入力度大,但后续效益较低,并且重复建设现象存在。检测机构尤其是体系内的一些机构存在空心化的现象,整体缺乏活力。某些机构保留了之前的“衙门思想” ,还未真正做到开放和服务企业,检验检测服务与市场需求脱节。 2016 年 4 月, 质检总局 国家认监委关于提升检验检测机构服务质量的指导意见从总体要求、促进检验检测行业转型升级、提升检验检测服务质量、 保障措施四个方面, 提出了产业发展的指导意见。 “检验检测是国家质量发展的重要基础,是国家确定的高技术服务业、生产性服务业和科技服务业 ,是国务院质量发展纲要(2011-2020) 所明确的重要工作任务之一,是维护社会公平、保护环境、保护人类和动植物生命健康、促进技术进步和生产发展以及维护民生的重要支撑。未来五至十年,将是我国社会经济全面快速发展的关键时期,检验检测行业将获得更为广阔的发展空间” 。 “通过五年左右的努力,以检验检测机构资质认定制度为杠杆,推动业务相同相近检验检测机构整合, 促进检验检测服务业基本完成 7 从数量、规模扩张型向质量效益型的转变,市场布局和层次结构更趋合理优化,市场秩序更加公平有序,资源配置更加优质高效;基本完成从服务粗放型向服务品质型和服务创新型的转变, 形成一批具有知名品牌的综合性检验检测机构, 为社会提供更加诚信透明、 经济优质、便捷周到的检验检测服务。 ” 8 第二章 第三代半导体与电力电子测试 2.1 衬底 2.1.1 概述概述 第三代半导体材料是在衬底上通过一定的温度和压力合成出来的。衬底又称基板,也有称之为支撑衬底,衬底主要是外延层生长的基板,在生产和制作过程中,起到支撑和固定的作用。且与外延层的特性配合要求比较严格, 否则会影响力到外延层的生长或是芯片的品质。 SiC 电力电子器件基本使用同质的 SiC 衬底; GaN 电力电子器件的衬底多样化,包括蓝宝石、Si、SiC、GaN,各衬底材料的比较如表 2-X 所示。 如蓝宝石、 Si 衬底的外延、 芯片半导体工艺材料与 LED的一致,而 LED 产业的规模生产,GaN 基器件半导体工艺材料成本已非常低,所以,GaN 相较于 SiC,器件的成本优势明显。电力电子中的低压应用市场,如笔记本电脑充电器和光伏逆变器,将主要应用GaN 技术。 表 2-1 衬底材料优势比较 衬底材衬底材料料 衬底成本与衬底成本与 衬底技术成熟度衬底技术成熟度 衬底尺寸衬底尺寸 衬底导热性衬底导热性 GaNGaN 外延生长外延生长 技术成熟度技术成熟度 SiC 成本高, 技术成熟度中等 24 英寸 导热性很高(4.0W/cm.K) 较成熟 体 GaN 成本高,技术不成熟 23 英寸 导热性良好(1.5W/cm.K) 发展中 蓝宝石 成本较低,技术成熟 26 英寸 导热性差(0.5W/cm.K) 成熟,为现有 GaN LED的主流产业化技术 9 Si 成本低,技术成熟 48 英寸 导热性良好(1.5W/cm.K) 发展中,外延生长难度大 依据器件外延制备的使用, 要求碳化硅单晶抛光片要有高的表面质量:表面光滑、表面粗糙度低、无缺陷、无损伤,TTV、Warp 等表面参数优良。碳化硅的加工质量和精度的优劣,直接影响到其器件的性能,比如当晶片表面有微小缺陷时,会遗传给外延生长膜而成为器件的致命缺陷。表 2-2 显示了 SiC 单晶抛光片的主要技术指标。 表 2-2 SiC 单晶抛光片主要技术指标示例 序号序号 指标指标 参数参数 1 直径 50.80.3mm 2 结晶类型 4H 3 晶向 0001 4 晶片厚度 350m50m 5 翘曲度(Warp) 20m 6 总厚度变化(TTV) 20m 7 表面粗糙度 1.0nm 8 单面抛光 抛光表面无崩边、橘皮、划痕、雾等缺陷 在半导体材料制备过程中, 需要测量半导体单晶中含有的微量杂质、缺陷以及表征其物理性能的特征参数。 SiC 的晶片的具体表征示例如下: (1)4H 导电型晶体电阻率达到 0.03cm 以下,6H 导电型晶体电阻率达到 0.1cm 以下。6H 半绝缘型电阻率达到 106cm以上,最大达到 1012cm。 (2)用 C-V 法测导电型碳化硅的载流子浓度,结果 6H 晶型晶 10 体的载流子浓度约为 1018cm-3,4H 晶型晶体的载流子浓度约为1019cm-3。 (3)用 X 射线衍射法作单晶摇摆曲线和双晶衍射的分析,发现晶体结晶质量良好。平均测量晶片表面的 5 个点,结果单晶摇摆曲线的平均半高宽达到 18 弧秒,双晶衍射图谱为同心圆。 (4) 碳化硅产品的微管密度达到 10cm-2以下, 最小达到 1cm-2。 2.1.2 X 射线衍射射线衍射 X 射线是指在 10-2102 范围内的电磁波。X 射线衍射仪是对物质和材料的组成和原子级结构进行研究和鉴定的基本手段。 X 射线衍射测试在晶体/晶片定向、晶体质量分析、应力分析、晶片面型分析等方面具有重要作用。半导体外延膜、量子阱及量子点等材料微结构的 X 射线表征可以在介观或纳米尺度给出各层成分、厚度、界面起伏的局部波动。作为表征薄膜材料结构的扫描探针技术,X 射线衍射和散射等技术有其特别的优点, 它可以无损检测单层膜或多层膜内部结构、界面状况以及纵向和横向的共格程度。 通过双晶 X 射线的摇摆曲线半高宽测试方法来判断结晶质量表征,GB/T 32188-2015氮化镓单晶衬底片 X 射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法规定了利用双晶 X 射线衍射仪测试氮化镓单晶衬底片摇摆曲线半宽高的方法, 适用于化学气相沉积及其他方法生长制备的GaN 单晶衬底片。 高分辨 X 射线衍射主要有一下几个特点: 高度平行化和单色化,入射束最小可以达到 2.5s,因而具有高分辨率;分辨率最高可达 10-8 11 测角精度。 2.1.3 霍尔效应测试霍尔效应测试 霍尔效应测试仪, 是用于测量半导体材料的载流子浓度、 迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。半导体霍尔测试主要利用范德堡结构法进行测试。 霍尔效应是半导体中载流子在电场和磁场的作用下所产生的效应,研究霍尔效应对发展半导体理论有着重要的实际意义。利用霍尔效应来测量霍耳系数是研究半导体性质的重要实验方法, 它在半导体测试技术中占有重要地位。 用它来研究半导体材料导电过程或输运现象,可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能(包括浅、深能级杂质)迁移率及杂质补偿度等信息。 1958 年范德堡提出一种接触点位于晶体边缘的电阻率和霍尔系数的测量方法。此法要求样品厚度均匀成片状、无孤立孔洞,并且接触点位于样品的边缘,触点越小越好。 2.2 外延片 2.2.1 概述概述 外延薄膜的表面形貌、结晶质量、厚度、浓度、迀移率等结构特性、光学性能和电学性能的表征测试方法很多,很多测量结果都是采用其中一种或几种测试方法,没有系统的测试方法和衡量标准。 4H-SiC 同质外延生长的外延片的示例测试结果如下: 12 (1)晶体质量:高分辨率 X 射线衍射、Raman 散射确定所生长的 4H-SiC 外延层为均一的 4H-SiC 物相,不存在其他包裹物,XRD的摇摆谱半高宽为 52arcsec,这表明外延层的结晶质量很高; (2)傅里叶红外光谱仪(FTIR)测量外延层膜厚,片内厚度不均匀性达到 0.09%,批次间厚度不均匀性为 0.9%; (3)汞探针 CV (MCV)测量掺杂浓度分布,获得片内浓度不均匀性最好为 4.37%,批次间浓度不均匀性为 5.3%,二次离子质谱法(SIMS)对 MCV 测量的 n 型掺杂浓度进行了验证。 方阻仪显示 MESFET 结构的 4H-SiC 材料方阻不均匀性为 2%5%,达到国际同行产品水平。 4H-SiC 薄膜的结晶质量结晶质量进行表征:高分辨率 X 射线衍射法,主要用于确定 4H-SiC 外延中是否是单一的 4H-SiC 物相, 并且通过摇摆谱确定外延膜层的半高宽大小,以确认结晶质量;X 射线光电子能谱(XPS),主要用于表征 4H-SiC 中掺杂的物相;Raman 散射,主要用于判定 4H-SiC 中是否为单一物相。 外延前衬底的表面形貌表面形貌以及缺陷分布缺陷分布状态直接关系到外延后晶片表面状态;同样,外延后的表面状态以及器件制作工艺过程中的接触面的粗糙程度直接关系到器件的性能和质量。 通过一些表面显微分析技术,主要包括光学显微镜(OP) 、扫描电子显微镜(SEM) 、原子力显微镜((AFM)及时检测出衬底以及外延片表面的缺陷以及粗糙度,指导外延工艺的改进,获得高质量表面形貌的外延晶片。 4H-SiC 同质外延生长及器件研究D 李哲洋 南京大学 2012 13 薄膜材料的厚度厚度关系着材料的力学性能、透光性能、热导率、磁性能、 表面结构、 电学性能等, 测量方法可分为直接测量和间接测量。直接测量指应用测量仪器,通过接触方式直接感应出薄膜的厚度,常见的测量方法有:精密轮廓扫描法(即台阶法)、螺旋测微法、扫描电子显微法等等;间接测量指根据对应的一些物理关系,通过材料本身的一切物理参数经过计算转化为薄膜的厚度, 从而达到测量薄膜厚度的目的, 常见的测量方法有: 电容法、 等厚干涉法、 电阻法、 称重法、变角干涉法、椭圆偏振法等等。 半导体材料的电学性能电学性能表征可以分为两类:一类是适合体材料和薄层材料的电学测试技术, 主要有: 电导类型、 电阻率、 Hall 系数等;另一类是以结的耗尽物理过程为基础的电学表针技术, 常称为结谱技术。汞探针 CV 法(MCV)对 n 型掺杂的 4H-SiC 外延片进行纵向杂质浓度分布测试,通过多点测试,得到外延片的掺杂浓度均匀性;通过二次离子质谱法(SIMS)测量外延片的纵向浓度分布及掺杂类型; 运用方阻仪测量 MESFET 结构器件表面帽层的方阻值及方阻均匀性。 2.2.2 X 射线光电子能谱射线光电子能谱(XPS) X 射线光电子能谱是一种对固体表面进行定性、 定量分析和结构鉴定的实用性很强的表面分析方法。XPS 采用 X 射线(一般是 AlKa 1486.6eV 或者 MgKa 1253.6eV,属于软 X 射线)入射到样品表面,所激发产生的逸出电子属于外壳层电子,利用逸出的光电子的能量,可以推导出是什么样的杂质原子。 XPS 具有以下特点: 可以分析元素周期表中除 H 和 He 以外的所有元素; 并且相邻元素的相同能级的谱线 14 相隔较远,彼此间干扰较少,元素定性的标识性强;并且可以对元素进行定量分析,即可测定元素的相对浓度,还可以测定相同元素的不同氧化态的相对浓度;灵敏度高,可以进行超微量表面分析,样品分析的深度约为 2nm。 2.2.3 Raman 散射散射 Raman 散射光谱是晶体在入射光的作用下使点阵上的正负离子周围的电子云分布发生畸变, 畸变后的电子云反过来又推移点阵上的各正负离子, 使它们偏离原来的平衡位置。Raman 散射光谱广泛应用于表征半导体薄层,异质结构,多层膜界面等。利用 Raman 光谱,可以在不破坏表面的情况下进行分析,并且灵敏度很高,测试深度可以从纳米区域扩展到较深的微米埋层。 由于 SiC 的拉曼散射信号容易观测,散射峰的强度、宽度以及频率能够提供大量的 SiC 结构信息, 所以成为表征 SiC 晶体结构的非常有力的研究方法。 2.2.4 扫面电子显微镜扫面电子显微镜(SEM) 扫描电子显微镜(SEM)是一种多功能的常规测试设备,使用非常广泛,利用 SEM 可以对半导体表面的特征结构成像,其空间分辨率可以达到亚纳米级。它的基本结构是电子枪,电子透镜系统,扫描线圈,电子接收器构成,典型的工作电压是 1K-30KV。电子枪的种类有很多种,若是场发射式,亮度更大,分辨率更高,成像的质量更好。SEM 成像是由探测器接受从样品上被激发出的二次电子和背散射电子构成。其优点是样品制备比较简单,只要不超过一般腔体能容 15 纳的尺寸,并且能够导电,就可以观察到表面的基本形貌。此外,如果稍加改装,还可以作为 X 射线能量色散谱,进行元素分析。 2.2.5 原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 原子力显微镜(AFM)是利用尖锐针尖在样品表面运动,做光栅扫描,或者称行帖扫描,通过测量曲臂的弯曲,从而记录下样品表面结构形貌,有极高的分辨率。AFM 之所以为人们所重视,是因为与传统的扫描电子显微镜相比, 它具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率。正常情况下,横向分辨率可以达到 0.10.2nm,纵向分辨率高达 0.01nm,而且可以空间三维成像,有极大的景深和对比度。 2.2.6 傅立叶红外干涉测厚法傅立叶红外干涉测厚法(FTIR) 红外干涉法是利用聚焦后的红外线入射到外延层后又分别从衬底表面和外延表面反射出来, 反射光束在满足一定条件下会发生相互加强或消弱的干涉作用, 然后由发生加强或减弱的距离差来换算出外延层的厚度。 2.3 芯片和器件 2.3.1 SiC 电力电子器件电力电子器件 2.3.1.1 概述概述 由于 SiC 器件具有宽禁带、小型化和耐高温等特点,所以其测试过程较 Si 和 GaAs 等半导体器件要求更高的测试电压、 更大的测试测试电流、更高的测试温度,SiC 肖特基势垒二极管(SBD)和金属- 16 氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的测试项目如图 2-1 所示。 图 2-1 SiC SBD 和 MOSFET 测试项目参数 2.3.2 SiC SBD 2.3.2.1 SiC SBD 静态参数测试静态参数测试 电力电子器件芯片的测试主要是静态参数测试。 封装环节的静态参数测试与芯片环节类似, 主要用于对封装质量和封装材料对芯片影响的验证。 静态参数测试包括正向导通特性、反向阻断特性。本部分通过IWATSU 公司的高压大电流图示仪(设备型号:CT-3200)测试 20 颗SiC SBD 样品的静态参数,测量仪器如图 2-2 所示。 17 图 2-2 静态参数测试系统示意图 图 2-3、 图 2-4 分别显示了 20 颗 SiC SBD 样品的正向导通特性、反向阻断特性的 I-V 曲线。 图 2-3 SiC SBD 正向导通特性 图 2-4 SiC SBD 反向阻断特性 正向导通特性测试内容包括 I-V 曲线、特征导通电阻、开启电压等,从正向导通特性图看出,20 颗器件均一性较好,且温度的改变对于器件特性的影响较小,器件稳定性较好;反向阻断特性测试内容包括 I-V 曲线、击穿电压、阻断漏电流等,从反向阻断特性看出,20颗样品的反向漏电大约在 10A 左右,器件均一性有待提升,但温度对器件性能参数的漂移影响不大。 01234505101520 IF (A)VF (V)25oC100oC150oC0500100015002000020406080100 IR ( A)VR (V)25oC100oC150oC 18 2.3.2.2 SiC SBD 动态参数测试动态参数测试 随着开关频率的不断增加, 器件的开关损耗超过静态损耗成为主要功耗来源,器件的动态参数也成为评估器件性能的重要参数。相对于器件的静态参数, 动态参数主要表征的是器件在开启或关断瞬间的电学特性参数。SBD 动态参数主要包括反向恢复特性的反向恢复时间、反向恢复电荷;SiC SBD 作为单极性器件,反向恢复电流主要是由于器件内部的结电容、管壳封装电容等充放电引起的。表 2-3 显示了 20 颗 SiC SBD 样品的反向恢复时间、 反向恢复电荷以及开关功耗。 表 2-3 20 颗 SiC SBD 的动态参数测试 19 2.3.2.3 SiC SBD 极限雪崩测试极限雪崩测试 SiC SBD 极限雪崩测试一般通过 EAS来衡量。EAS指的是器件关断瞬间即单次雪崩状态下能够消耗或承受的最大能量,EAS越大,表示器件承受电路电感引起电压尖峰的能力越强, EAS 与器件内部雪崩电流密度的分布及雪崩面积有关, 还与器件的热性能和工作状态相关,其最终的表现就是温升。Tesec 厂家的 Tesec-3702 半导体功率器件雪崩能量测试系统,如图 2-5 所示。 图 2-5 Tesec-3702 半导体功率器件雪崩能量测试系统 极限雪崩的测试方法是电感从 0.1mH 开始,增量为 0.01mH,逐渐增大,直至器件损坏,记录器件测坏前一次的极限雪崩值。图 2-6即为器件损坏前一刻的测试值, 此器件的极限雪崩耐量为 285.57mJ。 20 图 2-6 某一 SiC SBD 器件损坏前一刻雪崩耐量测试结果 在极限雪崩测试之后, 选取其中一颗进行 1000 次重复雪崩测试,并进行小信号 I-V 对比,对比结果如图 2-7 所示。雪崩前、后的势垒高度B分别为 1.18eV、1.24eV,理想因子 n 分别为 1.02、1.01,器件的肖特基接触特性较好。图 2-8 所示的是 20 颗器件雪崩测试前后大电流测试结果对比,雪崩 1000 次测试前后参数漂移变化较小。 图 2-7 某一 SiC SBD 器件雪崩前后小信号测试结果对比 0.00.20.40.60.81.00.0020.0040.0060.0080.010 Before After IF (A)VF (V) 21 图 2-8 某一 SiC SBD 器件雪崩前后大电流测试结果对比 2.3.2.4 SiC SBD 瞬态热阻测试瞬态热阻测试 为快速、有效地检验半导体器件芯片和外壳之间的烧结质量(烧结热阻) , 可以采用瞬态热阻 (标准中称为瞬态热响应) 的筛选方法。该方法向半导体器件施加一个功率脉冲, 在脉冲结束后立即测量器件的热敏参数变化,以得到半导体器件芯片的结温升,进而推断半导体器件的烧结热阻(即烧结质量) 。从通常意义上讲稳态热阻主要针对的是器件的性能,更多是考核器件的设计,而瞬态热阻主要针对的是器件的可靠性,更多考核的是器件的生产工艺质量。 2.3.2.5 SiC SBD 浪涌浪涌试验试验 在二极管的整流应用中,会承受瞬间的过高电流脉冲。除了必须保证足够的额定通态性能外, 还要求能够承受数倍至数十倍的短暂的浪涌过载电流冲击而不被损坏。二极管的抗浪涌过载电流的能力,是其在实际应用中的可靠性的保证。在发生浪涌电流时,器件内部会迅0.00.51.01.52.02.53.01E-30.010.1110100 Before After IF (A)VF (V)04008001200160020001E-51E-41E-30.010.11 Before After IR (mA)VR (V) 22 速达到一个很高的温度,最终导致器件的封装或芯片的失效。 正向浪涌电流(IFSM)是指:持续时间短并规定波形的正向脉冲电流。这种电流由电路异常情况(如故障)引起,导致结温超过或可能超过额定最高结温,但假定其极少发生,并在器件工作寿命期内具有限定的发生次数。 非重复峰值正向浪涌电流(IFSM)是指在结温 Tj 为某一温度时, 给二极管正向施加导通角为 0180,基波宽度为 8.3ms 或者 10ms 的最大不重复的正弦半波脉冲电流。 这个参数的测试是一种破坏性测试,目的是检测器件在高电流应力条件下,器件芯片本身以及内外部引线、接触能够承受的浪涌电流能力,并且验证一个器件的抗非重复性浪涌电流等级。 2.3.2.6 SiC SBD 极限可靠性寿命试验极限可靠性寿命试验 (1)高温反偏试验 高温反偏试验(High temperature reverse bias,HTRB)用于验证长期稳定情况下芯片的泄露电流。在 HTRB 试验中,二极管芯片被施加反向偏压,在极限工作温度下,施加的反向偏压稍微低于器件的阻断电压。 通过这一试验可以反映器件在这种长期极限工作条件下的退化效应以及器件的薄弱点。 试验后的失效标准为漏电流是否超过许可范围。 (2)温度循环试验(Temperature cycling,TC) 在器件应用过程中,温度波动是必然会存在的应力条件。温度 23 循环试验是通过模拟环境温度波动来检验器件长期可靠性的一种方法。温度循环试验中,器件所处的环
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