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(cè)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)模化應(yīng)用開啟了信息時(shí)代，SiC/GaN等寬禁帶材料則推動(dòng)新能源革命。這些進(jìn)步的背后，材料測(cè)試技術(shù)始終扮演著 "科技眼睛" 的角色，它不僅能檢測(cè)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(dòng)力。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，電磁特性測(cè)試如同材料的 "體檢表"，能精準(zhǔn)衡量材料的儲(chǔ)能能力；I-V和C-V測(cè)試則像材料的 "心電圖"，可以通過分析電信號(hào)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(cè)試可實(shí)時(shí)監(jiān)控 10 納米級(jí)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(jí)逼近，材料測(cè)試的重要性愈發(fā)凸顯。

材料測(cè)試方法概述

如前所述，材料測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試方法時(shí)，需要考慮如下問題：

頻率范圍

測(cè)試參數(shù)

測(cè)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(cè)試方法是否對(duì)材料產(chǎn)生破壞?測(cè)試方法是否接觸材料

測(cè)試溫度

成本

下面我們會(huì)分別介紹幾種方案。

直流IV和CV特性的測(cè)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

靜態(tài)參數(shù)測(cè)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(cè)試。靜態(tài)參數(shù)測(cè)量，一般采用B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析來完成，對(duì)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(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)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(dòng)態(tài)參數(shù)也成為評(píng)估器件性能的重要參數(shù)。相對(duì)于器件的靜態(tài)參數(shù)，動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)用中，會(huì)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(dòng)態(tài)的測(cè)量參數(shù)，包括如下的品類：

低頻介電常數(shù)測(cè)量

當(dāng)測(cè)試頻率小于1GHz 的時(shí)候，平行板法不失為一種簡(jiǎn)單，方便，性價(jià)比高的測(cè)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(cè)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(cè)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：

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析儀來測(cè)量阻抗值，利用材料測(cè)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(cè)材料的不同特性來選擇測(cè)試夾具。是德科技能夠提供不同頻率覆蓋，不同被測(cè)材料特性的完整平行板法方案。

比如，當(dāng)測(cè)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(cè)試夾具 + N1500A 材料測(cè)試軟件，如下圖：

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(cè)量

高頻特性參數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)試方法利用開路式的同軸探頭，測(cè)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(hào)將入射在探頭與被測(cè)材料的接觸面，在這一界面上，高頻信號(hào)的反射特性 S11 將會(huì)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(cè)得 S11，再計(jì)算出被測(cè)材料的介電常數(shù)與損耗角正切等參數(shù)。

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

測(cè)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(cè)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(cè)試高頻信號(hào)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：

頻率范圍：100MHz~110GHz

測(cè)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(zhǎng)度和測(cè)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(cè)材料，這種測(cè)試方法將被測(cè)材料置于天線之間，通過測(cè)量傳輸 S21 或者反射 S11 的高頻信號(hào)得到材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，如圖所示：

頻率范圍：1GHz~330GHz

測(cè)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(duì)于 PCB 基板的測(cè)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(cè)量精度，所以特別適合印刷電路板以及高分子材料的測(cè)試等。傳統(tǒng)的諧振腔法大多都是單點(diǎn)頻的測(cè)試。這種測(cè)試方法利用諧振腔在加入被測(cè)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(cè)試都是遵循美國材料測(cè)試協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn) ASTM D2520 腔體微擾法進(jìn)行測(cè)量的。

頻率范圍：不同的諧振腔測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)出被測(cè)材料的S21，進(jìn)而得到材料在不同角度的反射率，如下圖：

總結(jié)

是德科技提供多種多樣的材料測(cè)試整體解決方案，包括測(cè)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(cè)試需求，針對(duì)不同的頻率和材料性質(zhì)，選用不同的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，如下圖：