第三代半导体测试与测量应用指南-上海依微嘉科技有限公司

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第三代半导体测试与测量应用指南

第三代半导体技术的概述和应用领域

第三代半导体技术是指新型半导体材料及器件技术，相对于第一代的硅材料和第二代的化合物半导体材料，第三代半导体材料的优点在于更高的能带宽度和电子迁移率，更小的电子亲和能和更高的载流子浓度等。这些优点使得第三代半导体材料可以实现更高的电子流动速度和更高的能量效率，从而可以在功率电子器件、光电器件等方面得到广泛应用。

目前，第三代半导体技术已经应用于许多领域，其中比较具有代表性的是功率电子器件领域。随着可再生能源、电动汽车和新型照明等应用的不断发展，对于高效、高速、高温、高电压等特性的功率电子器件的需求越来越迫切。在这方面，第三代半导体技术具有广泛的应用前景。

第三代半导体技术在功率电子器件应用领域的几个主要方面

● 能源转换：太阳能、风能等可再生能源需要将收集到的能量转换为电能，并送入电网。此时需要用到直流-交流变换器、逆变器等功率电子器件，而第三代半导体材料的高速和高电压特性使得这些器件具有更高的转换效率和更小的尺寸。

● 电动汽车：电动汽车需要高效、高速的功率电子器件来控制电机的转速和扭矩输出，从而实现汽车的加速和制动等功能。在此方面，第三代半导体技术的高温、高电压和高速特性使得其在电动汽车中得到广泛应用，提高了汽车的能效和性能。

● 照明：LED照明等新型照明技术需要高效、高速的功率电子器件来控制电流和亮度，同时需要较小的尺寸和高可靠性。第三代半导体技术在此方面有着较好的应用前景。

● 激光器：第三代半导体材料中的氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AlGaN）具有较高的电子迁移率和热导率，可以用于制作高功率、高效率的蓝光激光器，被广泛应用于显示、照明、医疗等领域。

● 高速通信：第三代半导体材料中的锗（Ge）和锗锑（GeSb）等可以用于制作高速、高频率的光电探测器，被应用于高速通信、雷达、导航等领域。

● 生物医学：第三代半导体材料中的氮化镓、氮化铝镓和碳化硅等具有较好的生物相容性和机械强度，可以用于制作生物医学传感器、药物递送器等设备，被广泛应用于生物医学领域。

功率器件的测试问题和挑战

第三代半导体功率器件具有很高的性能指标，如低导通电阻、高开关速度、低开关损耗、高工作温度等，这些指标对测试设备和测试方法提出了更高的要求，同时也带来了一些测试挑战。

下面具体说明一些功率器件测试面临的挑战：

● 测试精度：随着功率器件工作电压和电流的不断提高，测试精度要求也越来越高。例如，对于开关频率高达几百千赫兹的功率器件，需要能够精确地测试其导通电阻、开关时间和开关损耗等指标。

● 测试速度：随着功率器件的不断发展，其开关速度也越来越快，因此测试速度也需要相应提高。例如，对于开关频率高达数百千赫兹的功率器件，需要测试速度能够达到数百兆赫兹。

● 温度特性测试：第三代半导体功率器件具有很高的工作温度范围，因此需要测试其在不同温度下的电性能表现。例如，需要测试功率器件在高温、低温和常温下的导通电阻、漏电流和击穿电压等特性指标。

● 可靠性测试：功率器件在高压、高温、高电流等极端条件下容易发生故障，因此需要对其进行可靠性测试。例如，需要测试功率器件在长时间高温、高压、高电流等条件下的性能稳定性。

在高温环境下，功率器件的性能可能会发生变化，例如电阻率的变化、漏电流的增加以及击穿电压的降低等，这些都需要考虑在测试过程中。此外，在高温下，对测试设备和仪器的稳定性和可靠性要求也更高，需要使用高温稳定的测试设备和仪器。

在高电流环境下，功率器件可能会出现热失控现象，这会对器件的性能和寿命产生不利影响。因此，在测试过程中需要考虑如何控制器件的温度和电流，以及如何测量功率器件的温度和电流等关键参数。

在高压环境下，功率器件的击穿电压、反向漏电流等关键参数的测试也是一个难点。这需要使用高精度的测试设备和仪器，同时需要在测试过程中考虑到高电压对器件和测试系统的安全性和可靠性的影响。

针对这些测试挑战，测试方法和设备也在不断发展。例如，为了提高测试速度和测试精度，可以使用高速数字化测试系统，以及新型的测试探针和测试夹具等设备。为了测试温度特性，可以使用具有温度控制功能的测试平台。同时，也需要不断发展新的测试方法和测试标准，以适应第三代半导体功率器件的测试需求。

根据上述功率半导体的测试挑战，我们推荐的测试设备和测试方案包括：

测试精度相关：

针对高频率功率器件的测试需要使用高速、高精度的测试设备。以下是一些推荐的设备：

● 矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)：VNA是一种高频测试设备，可以测量功率器件的S参数（散射参数），即反射系数、传输系数和相位等。通过S参数可以得到功率器件的电学性能指标，如输入输出阻抗、传输增益等。

● 快速数字存储示波器(Fast Digital Storage Oscilloscope, DSO)：DSO可以捕获高速电压和电流信号，通过分析信号波形可以得到功率器件的开关时间和开关损耗等指标。

● 高速数字化测试系统：这种测试系统包含高速AD采集器和数字信号处理器，可以实现高速、高精度的功率器件测试。其中，AD采集器可以采集高速电压和电流信号，数字信号处理器可以对信号进行数字滤波、时域分析和频域分析等操作，从而得到功率器件的电学性能指标。

● 高速脉冲发生器(High-Speed Pulse Generator)：这种设备可以输出高速脉冲信号，用于测试功率器件的开关特性和损耗等指标。

● 功率器件参数分析仪(Power Device Analyzer, PDA)：PDA是一种专门用于测试功率器件的测试仪器，可以测量功率器件的开关特性、导通电阻、开关损耗等指标。同时，PDA还可以通过模拟负载模拟实际应用环境，从而更好地评估功率器件的性能。

针对功率器件高速开关测试的挑战，一般建议可以采用以下测试手段和测试设备/方案：

● 快速测试仪器：使用快速数字存储示波器、高速数字万用表、快速数据采集卡等测试仪器，可以实现对功率器件的高速测试。推荐使用高速数字存储示波器，例如Tektronix DPO/MSO70000DX系列，可以实现高达70 GHz的带宽和200 GS/s的采样率，满足高速功率器件测试的需求。另外，也可以考虑使用高速数字万用表，例如Keysight 34461A，支持最高50,000 readings/s的测量速度，可快速测试大量数据。

● 高速负载：使用高速负载可有效提高测试速度和测试效率。高速负载的响应速度和负载能力应该与被测试的功率器件相匹配。推荐使用高速电子负载，例如Keysight N3300A系列高速负载，响应速度可以达到µs级别，可以满足大多数功率器件测试的需求。如果需要更高的负载能力，可以考虑使用AMETEK Programmable Power iX Series负载，支持高达240 kW的功率输出。

● 模拟仿真：在测试之前，可以通过模拟仿真来评估设计的性能和可靠性，进一步减少测试时间和测试成本。推荐使用SPICE仿真软件，例如LTspice，可以进行电路仿真分析，并通过仿真结果评估设计的性能和可靠性。另外，也可以使用Ansys Electronics Suite等CAE软件，来进行更加复杂的仿真分析。

● 温度控制：由于功率器件的工作温度会影响其性能，因此需要在测试过程中对功率器件进行温度控制，以确保测试结果的准确性。推荐使用热电偶或红外线温度计等测温仪器，实时监测功率器件的温度变化。同时，也需要配备恒温恒湿设备或者温度控制箱等温度控制设备，保持测试环境的稳定性。

如果需要进行更加复杂的测试，可以考虑使用专业的测试方案，例如ATE测试系统（自动测试设备）Teradyne泰瑞达公司的UltraFLEX：这是一款可扩展的ATE系统，适用于各种功率器件测试，具有高达19,680测试点和480个模拟通道的能力。Chroma 8000 ATS：这是一款全自动测试系统，支持高达512个测试通道和10,000个模拟输入通道，适用于功率器件的测试和量产。

温度特性相关：

高温测试：

对于高温测试，可以将测试样品置于恒温箱内，控制温度在设定的高温范围内，通常在150℃以上。可以使用高温电阻计、高温电容计等测试设备，分别测试功率器件的导通电阻和容值随温度的变化情况。

高温测试设备：例针对高温条件下的功率器件测试，常见的有以下几种：

热板测试系统：这种测试系统使用具有加热功能的热板将芯片加热至指定温度，然后通过测试夹具与测试仪器连接进行电学测试。该测试方法适用于较小的芯片，能够提供高精度的热测试。

热箱测试系统：这种测试系统使用热箱将芯片加热至指定温度，然后通过测试夹具与测试仪器连接进行电学测试。相比于热板测试系统，热箱测试系统能够测试较大的芯片，并且测试过程中不会对样品施加过多的力。

恒流源测试系统：这种测试系统使用具有恒流源功能的电源将样品施加恒定电流，然后通过测试夹具与测试仪器连接进行电学测试。该测试方法适用于大功率芯片，可以提供高精度的电学测试。

目前市场上常见的专业高温测试系统供应商，如Dynatronix、MCT Worldwide和ETS，提供高温测试设备和方案，可用于功率器件的测试。

下面是碳化硅的高温测试系统框架和设备品牌及型号的举例：

1. 高温箱：用于控制测试温度，通常采用电阻丝加热方式，最高可达数千摄氏度。例如Carbolite Gero系列高温箱、Nabertherm高温炉等。

2. 温度控制器：用于控制高温箱内的温度，以保证测试的温度精度和稳定性。例如Lake Shore 336 温度控制器、Yamari TC-5050高温控制器等。

3. 电源：用于为被测试的晶元提供直流或交流电源，通常需要具备稳定的输出电压和电流。例如Keithley 2260B 电源、Keysight E3649A 电源等。

4. 测量仪器：用于测量被测试晶元的电性能，例如电流、电压、功率等。具体测试仪器的选择取决于测试需求和被测试器件的特性，包括万用表、示波器、源表、电容表等。综合型设备，例如Keysight B1500A系列半导体参数分析仪。

低温测试：

第三代半导体功率器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），由于其优异的高温特性而备受关注，因此高温测试一直是其重要的测试手段之一。然而，低温测试同样重要，因为它可以提供一些有用的信息，如：

● 器件在低温下的漏电流和击穿电压等电性能；

● 器件在低温下的温度系数，即温度变化对器件性能的影响程度；

● 器件在低温下的热稳定性，即在长时间低温下运行的稳定性。

基于这种测试应用的主要测试方案和相应的特点包括：

低温电性能测试：通过在低温下测量器件的电流和电压，可以确定器件在低温下的性能。测试方案可以采用低温脉冲测试、恒压测试、恒流测试等方法。这些测试方法需要使用低温箱、温度控制器和测试仪器等设备。

温度系数测试：通过在不同温度下测试器件的电性能，可以确定器件的温度系数。测试方案可以采用低温箱和温度控制器等设备，进行温度循环测试或温度梯度测试。

热稳定性测试：通过在低温下对器件进行长时间稳定性测试，可以了解器件在长时间低温下的稳定性。测试方案可以采用低温箱、温度控制器和测试仪器等设备，进行长时间低温稳定性测试。

对于低温测试，可以将测试样品置于低温箱内，控制温度在设定的低温范围内，通常在-40℃以下。可以使用低温电压源、低温电流源等测试设备，测试功率器件的漏电流和击穿电压随温度的变化情况。

碳化硅晶元的低温测试，通常需要搭建低温测试系统，其框架一般包括以下几个部分：

1. 低温箱：用于控制测试温度，通常采用液氮或液氦制冷。

2. 温度控制器：用于控制低温箱内的温度，以保证测试的温度精度和稳定性。

3. 电源：用于为被测试的晶元提供直流或交流电源，通常需要具备稳定的输出电压和电流。

4. 测量仪器：用于测量被测试晶元的电性能，例如电流、电压、功率等。具体测试仪器的选择取决于测试需求和被测试器件的特性，包括万用表、示波器、源表、电容表等。

下面是一些用于碳化硅晶元低温测试的设备品牌和型号的举例：

1. 低温箱：Oxford Instruments Triton 200系列低温箱、Bluefors LD系列低温箱、Janis ST-1000系列低温箱，Carbolite Gero低温箱。

2. 温度控制器：Lakeshore 336 温度控制器、Lake Shore 350 温度控制器、Oxford Instruments Mercury iPS 温度控制器。

3. 电源：Keysight E3631A 三通道电源、Keysight 66319D DC电源、Keithley 2260B 电源。

4. 测量仪器：Keithley 2400 电源表、Keithley 2612B 源表、Keysight 34401A 万用表、Keysight B1500A/B1506A半导体参数分析仪。

具体来说，低温冷却机通过提供液体制冷剂来降低低温箱内的温度，将低温箱的温度降至所需的低温测试温度范围。温度控制器通过监测低温箱内的温度，控制液体制冷剂的流量和压力，以维持低温箱内的温度稳定。低温箱内放置被测试器件，并通过测试仪器测量被测试器件的电性能，以评估其在低温环境下的性能和可靠性。

在实际配置时，我们需要注意具体测试系统框架和所需要用到的设备取决于被测试的器件和测试需求，上述设备仅作为参考，实际选择时需要结合具体情况进行综合考虑。

所以，低温测试是第三代半导体功率器件测试中不可或缺的一部分，通过低温测试可以了解器件在极端环境下的性能表现，为实际应用提供更加准确的数据支持。

探针台

探针台（也称为夹具）在半导体器件测试中扮演着非常重要的角色。它是用于在测试过程中将被测试晶片连接到测试仪器的接口。探针台通常包含多个微型探头，用于在测试过程中测量和监测被测试晶片的电性能。

在碳化硅晶圆测试中，探针台可以连接到高低温测试系统的热/冷板，并通过传热介质将热量传递到被测试晶片上。在低温测试中，探针台将被测试晶片放置在低温测试箱内，使其处于低温环境中，并与测试仪器连接。在高温测试中，探针台将被测试晶片放置在高温炉内，使其处于高温环境中，并与测试仪器连接。

探针台通过连接到低温/高温板，将被测试晶片置于高低温环境中，并通过传热介质将温度传递到被测试晶片上。温度控制器监测并控制低温/高温板的温度，以确保被测试晶片处于所需的温度范围内，并向测试仪器提供温度控制信号。测试仪器通过探针台连接到被测试晶片，以进行电性能测试。

以下是针对碳化硅晶圆级测试的一些高低温结合探针台测试方案：

MPI (旺矽科技) 是专业提供高低温探针测试解决方案的著名厂商：

品牌：MPI

型号举例：TS150-THZ

测试特点：

● 支持 -60°C 到 300°C 的温度范围

● 适用于高速微波和毫米波测试

● 支持多种探头，包括 DC、RF、微波和光学探头

● 可选配自动化测试和数据处理软件

探针卡

探针卡是探针台上用于连接晶圆和测试仪器的一种组件，它主要用于晶圆的接触和信号的传输。在一些高速和高精度的测试应用中，探针卡非常重要，因为它能够提供更加稳定和可靠的信号传输，同时保护测试仪器和晶圆。在晶圆级别的测试中，探针卡是必不可少的组件之一，而在器件级别测试中则并不是必须的，因为在这种情况下，测试仪器通常直接连接到器件上进行测试。

一些主要的探针卡供应商包括：

1. Wentworth Laboratories：Wentworth Laboratories是一家专注于高性能微电子测试技术的公司，其探针卡产品主要应用于高速数字和模拟信号测试、射频测试和器件特性测试等领域。

2. FormFactor：FormFactor是一家提供半导体测试和封装解决方案的公司，其探针卡产品具有高精度、高速度和高可靠性的特点，广泛应用于晶圆级别测试和器件级别测试等领域。

探针卡的特点包括：

● 高精度：探针卡具有高精度的特点，能够提供更加稳定和可靠的信号传输，从而保证测试的准确性和可靠性。

● 高速度：探针卡具有高速度的特点，能够满足高速数字和模拟信号测试、射频测试等高速应用的需求。

● 高可靠性：探针卡具有高可靠性的特点，能够保护测试仪器和晶圆，降低测试过程中的故障率。

● 多样化：探针卡具有多样化的特点，能够适应不同测试应用的需求，如晶圆级别测试和器件级别测试等。

第三代半导体测试过程中，例如碳化硅或氮化镓器件或者晶圆，需要进行高电流测试应用。这种应用的目的是为了测试被测器件在高电流下的电性能和热性能。由于第三代半导体器件具有较高的耐高温和耐高电流特性，因此高电流测试能够更全面地验证器件的性能。高电流测试应用在第三代半导体的测试过程中验证了被测晶圆或器件的高电流承受能力和散热能力。

三代半测试中的高电流测试挑战

在高电流测试应用中，主要需要使用高电流源和电阻箱等设备。高电流源可以提供高电流稳定输出，同时能够提供较好的保护措施，保护被测器件不受损坏。电阻箱可以提供各种电阻值，使得被测器件能够在不同的工作状态下进行测试。此外，还需要使用快速数据采集卡，用于采集高速和高精度的测试数据。高电流测试应用中，还需要使用适当的散热系统和温度控制系统，以确保被测器件在高电流和高温下的稳定工作。

以下是我们推荐的高电流测试设备：

Tektronics：2650 系列大功率 SourceMeter SMU 仪器专为高电压/电流电子产品和功率半导体元件（例如二极管、FET 和 IGBT、高亮度 LED、直流至直流转换器、电池、太阳能电池及其他高功率材料、组件、模块和部件）的检定和测试而设计。它们提供前所未有的功率、精度、速度、灵活性、易用性，可提高研发、生产测试和可靠性环境中的效率。可以提供高达 3000V 或高达 2000W 的脉冲电流功率。