從直流到高頻，半導(dǎo)體材料電特性參數(shù)的全面表征與測量

從鍺晶體管到 5G 芯片，半導(dǎo)體材料的每一次突破都在重塑人類科技史。

Si材料的規(guī)?；瘧?yīng)用開啟了信息時(shí)代，SiC/GaN等寬禁帶材料則推動新能源革命。

這些進(jìn)步的背后，材料測試技術(shù)始終扮演著 "科技眼睛" 的角色，它不僅能檢測材料導(dǎo)電性、絕緣性等基礎(chǔ)性能，更能揭示原子尺度的微觀奧秘，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的核心驅(qū)動力。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，電磁特性測試如同材料的 "體檢表"，能精準(zhǔn)衡量材料的儲能能力；I-V和C-V測試則像材料的 "心電圖"，可以通過分析電信號變化獲取載流子濃度、界面質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)。例如在芯片制造中，通過 C-V 測試可實(shí)時(shí)監(jiān)控 10 納米級柵氧化層的均勻性，確保每片晶圓的性能一致性。隨著芯片制程向原子級逼近，材料測試的重要性愈發(fā)凸顯。

材料測試方法概述

如前所述，材料測試的參數(shù)，主要包括直流的IV/CV特性，通常用B150xA系列半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試；電磁特性，包括介電常數(shù)，磁導(dǎo)率等參數(shù)。低頻頻段，用阻抗分析儀測試，高頻頻段，用網(wǎng)絡(luò)儀配合不同的夾具來實(shí)現(xiàn)。需要根據(jù)不同的需求來綜合考量，在選擇測試方法時(shí)，需要考慮如下問題：

?頻率范圍

?測試參數(shù)

?測試精度

?材料特性（例如，是否均勻）

?材料的形態(tài)（例如，液體，粉末，固體，片狀平面材料等）

?樣品尺寸的限制

?測試方法是否對材料產(chǎn)生破壞

?測試方法是否接觸材料

?測試溫度

?成本

下面我們會分別介紹幾種方案。

直流IV和CV特性的測試：

半導(dǎo)體材料做成的常見的四類基本器件，晶體管、二極管、電阻和電容。半導(dǎo)體器件的表征參數(shù)種類還是非常多的，如下圖：

圖：表征半導(dǎo)體器件的參數(shù)

半導(dǎo)體參數(shù)測試，包括了靜態(tài)參數(shù)與動態(tài)參數(shù)測量。

靜態(tài)參數(shù)測量

靜態(tài)參數(shù)主要是指本身固有的，與其工作條件無關(guān)的相關(guān)參數(shù)，主要包括：門極開啟電壓、門極擊穿電壓，集電極發(fā)射極間耐壓、集電極發(fā)射極間漏電流、寄生電容（輸入電容、轉(zhuǎn)移電容、輸出電容），以及以上參數(shù)的相關(guān)特性曲線的測試。

靜態(tài)參數(shù)測量，一般采用B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析來完成，對高功率模塊，比如IGBT或者SiC模塊，也可以采用B1505A或者B1506A來完成。

動態(tài)參數(shù)測量

隨著開關(guān)頻率的不斷增加，器件的開關(guān)損耗超過靜態(tài)損耗成為主要功耗來源，器件的動態(tài)參數(shù)也成為評估器件性能的重要參數(shù)。相對于器件的靜態(tài)參數(shù)，動態(tài)參數(shù)主要表征的是器件在開啟或關(guān)斷瞬間的電學(xué)特性參數(shù)，其主要是寄生電阻和寄生電容在動態(tài)應(yīng)用中，會引起充、放電過程，給電路實(shí)際工作帶來一些限制同時(shí)也決定的器件的開關(guān)性能。

動態(tài)的測量參數(shù)，包括如下的品類：

圖：半導(dǎo)體典型動態(tài)參數(shù)測量

針對半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測量，一般采用PD1500A或者PD1550A來完成，詳細(xì)的介紹，可以參考文末的資料下載。

低頻介電常數(shù)測量

當(dāng)測試頻率小于1GHz 的時(shí)候，平行板法不失為一種簡單，方便，性價(jià)比高的測試方案。平行板法，在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) D150 中又被叫做三端法，需要將片狀被測材料夾在兩個(gè)電極中或者將液體材料注入到平行板容器中從而形成一個(gè)電容器，使用阻抗分析儀測得電容的大小進(jìn)而計(jì)算出材料的介電常數(shù)以及損耗等參數(shù)，如下圖所示：

圖：平行板法測介電常數(shù)原理

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析儀來測量阻抗值，利用材料測試軟件完成介電常數(shù)以及損耗等參數(shù)的計(jì)算和讀取，并根據(jù)被測材料的不同特性來選擇測試夾具。是德科技能夠提供不同頻率覆蓋，不同被測材料特性的完整平行板法方案。

比如，當(dāng)測試頻率為 20Hz~30MHz 時(shí)，介電常數(shù)，片狀材料，E4990A 阻抗分析儀?+ 16451B平行板法測試夾具 + N1500A 材料測試軟件，如下圖：

圖：20Hz~30MHz，片狀材料，介電常數(shù)測試實(shí)物圖

不同頻率和類型的材料，總結(jié)如下：

高頻介電常數(shù)/磁導(dǎo)率測量

高頻特性參數(shù)測試，通常用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行表征，分別有Coaxial Probe (同軸探頭法)，Transmission Line (傳輸線法)，F(xiàn)ree-Space (自由空間法)，Resonant Cavity ?(諧振腔體法)以及Arch Reflectivity (弓形反射率法)。

1、Coaxial Probe (同軸探頭法)

同軸探頭法可以測試表面光滑且厚度較高的片狀固體材料，液體材料，粉末材料等。該測試方法利用開路式的同軸探頭，測試時(shí)將探頭浸入到液體或者接觸光滑固體平面，高頻信號將入射在探頭與被測材料的接觸面，在這一界面上，高頻信號的反射特性 S11 將會因?yàn)椴牧系慕殡姵?shù)而發(fā)生變化，如下圖所示。這時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得 S11，再計(jì)算出被測材料的介電常數(shù)與損耗角正切等參數(shù)。

圖：同軸探頭法，示意圖

?頻率范圍：200MHz~50GHz（搭配網(wǎng)絡(luò)分析儀）；10MHz-3GHz（搭配阻抗儀）

?測試參數(shù)：介電常數(shù)

?樣品要求：表面平整的固體，液體或者粉末材料

2、Transmission Line (傳輸線法)

傳輸線法是將被測材料置于封閉傳輸線中，傳輸線可以是同軸傳輸線或者矩形波導(dǎo)。通過利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試高頻信號激勵(lì)下傳輸線的反射特性 S11 和傳輸特性 S21，從而得到材料的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率等結(jié)果，如圖：

圖：Transmission Line (傳輸線法)示意圖

?頻率范圍：100MHz~110GHz

?測試參數(shù)：介電常數(shù)，磁導(dǎo)率

?樣品要求：可以進(jìn)行機(jī)械加工尺寸形狀的樣品 (環(huán)狀或者矩形塊狀)；表面光滑，并且兩個(gè)端面與傳輸線的軸線垂直；樣品長度和測試頻率相關(guān)

3、Free-Space (自由空間法)

自由空間法利用天線將微波能量聚集或者穿過被測材料，這種測試方法將被測材料置于天線之間，通過測量傳輸 S21 或者反射 S11 的高頻信號得到材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，如圖所示：

圖：Free-Space (自由空間法)示意圖

?頻率范圍：1GHz~330GHz

?測試參數(shù)：介電常數(shù)，磁導(dǎo)率

?樣品要求：扁平狀樣品，通常低頻時(shí)需要大尺寸平面，平坦，均勻，厚度已知

4、Resonant Cavity (諧振腔體法)

一般對于 PCB 基板的測試，多采用諧振腔法，因?yàn)橹C振腔法可以提供非常高的損耗正切測量精度，所以特別適合印刷電路板以及高分子材料的測試等。傳統(tǒng)的諧振腔法大多都是單點(diǎn)頻的測試。

這種測試方法利用諧振腔在加入被測材料前后的諧振頻率變化以及品質(zhì)因數(shù)的變化來得到材料的介電常數(shù)等參數(shù)。大部分的諧振腔測試都是遵循美國材料測試協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn) ASTM D2520 腔體微擾法進(jìn)行測量的。

圖：諧振腔體法示意圖

?頻率范圍：不同的諧振腔測試頻率不同，可以覆蓋 1.1G~80GHz 之間的標(biāo)志性頻點(diǎn)（一個(gè)諧振腔對應(yīng)一個(gè)頻點(diǎn)）；多頻點(diǎn)諧振腔可以覆蓋 10G~110GHz 頻率范圍

?測試參數(shù)：介電常數(shù)

?樣品要求：片狀，且厚度均勻已知

5、弓形反射率法

弓形反射率法是利用矢網(wǎng)測出被測材料的S21，進(jìn)而得到材料在不同角度的反射率，如下圖：

圖：弓形反射率法

總結(jié)

是德科技提供多種多樣的材料測試整體解決方案，包括測試儀表，夾具以及軟件，可以覆蓋固體，液體，粉末，薄膜材料，磁環(huán)等的測試需求，針對不同的頻率和材料性質(zhì)，選用不同的測試平臺進(jìn)行測量，如下圖：

圖：不同材料測試方法的總結(jié)

圖：是德科技不同平臺材料測試方法總結(jié)