瞄准GaN及SiC功率半导体检测标准—安捷伦开发新型测试装置

目前，功率半导体受到越来越多的关注。这是因为在实现CO2减排及环保对策时，功率半导体起到的作用极大。比如在日本国内，“变频器家电（空调、洗衣机、冰箱）”已变得相当普遍。采用变频器可使电力效率获得飞跃性提高，但海外的普及率仍然很低。今后，以环保为关键词，面向海外市场配备变频器的比率极有望提高，功率半导体的市场规模也将得到大幅增加。

然而，迄今的功率半导体评测技术很难说已达到了充分的水平。以前一提到功率半导体评测，往往想到的是对电流和电压的关系进行检测的曲线描绘器（CurveTracer）。曲线描绘器尽管能够掌握特性的倾向，但无法高精度检测特性的绝对值。原来在评测功率半导体时不需要太高的检测精度，而今后估计电力效率将成为家电产品及混合动力车和电动汽车等领域的竞争轴心。这样，要想对变频器等电源电路进行最佳控制，就必须以高精度对功率半导体的特性进行评测。

另外，使用GaN及SiC等材料的新一代功率半导体的开发也在迅速向前推进。这些功率半导体与现有Si功率半导体相比可实现高耐压化和低导通电阻化。因此，研发一线亟需以超过以往的准确性，对高电压下的泄漏电流以及大电流供给时的导通电阻等进行检测。

为此，安捷伦科技（AgilentTechnologies）开发了电流检测分辨率为0.1pA、电压检测分辨率为100μV的高精度功率半导体评测装置“Power DeviceAnalyzer/CurveTracer”，并已从2009年下半年开始销售。型号为“B1505A”(图1）。支持的电压高达3000V，支持的电流高达40A。而以往多在1000V/10A左右。而且，该装置还可检测静电容量。日前，笔者采访了负责开发该评测装置的技术人员岩崎裕行、柿谷寿生、永井好，请他们介绍了开发契机、可高精度检测的原因，以及与现有曲线描绘器的不同。（采访人：山下胜己）

为何由美国安捷伦科技的日本法人负责开发？

岩崎：安捷伦日本法人有很多部门都在开发计测仪器及测试装置。名为HSTD（Hachioji Semiconductor TestDivision）的部门就是其中之一。该部门从20世纪80年代上半期起就一直在开发对微弱信号半导体器件进行检测的曲线描绘器。现在已推出很多机型。简单说已经向市场投放了6个系列，最新的系列是2005年开始销售的“B1500A”。

事实上，HSTD以前还曾推出过面向功率半导体的模块分析仪。当时是在1985年前后。推出的是连接到用于检测微弱信号的参数分析仪上使用的机型。但市场并未像想象的那样扩大。因此在2000年停止了销售。

竞争对手撤出市场

为何又开始致力于功率半导体评测装置的开发？

岩崎：从2000年起，我个人隐约感到，“今后环境保护及能源枯竭成为大问题的话，就可能需要高效使用能源的技术。这样的话，功率半导体的需求就会扩大”。但当时功率半导体市场并未出现扩大迹象。因此一直没有找到将上述想法付诸于开发的机会。

而之后形势逐渐发生了变化。到了2005年前后，环保及能源等关键词开始慢慢引起关注。于是我们对功率半导体评测装置市场进行了调查，发现了处于事实标准地位的机型。这就是美国泰克（Tektronix）的曲线描绘器“370B/371B”。虽然该机型比较老，但通过反复小幅改进，长期保持着事实标准的地位。

然而这时却突然听到了一个令人意外的消息：“泰克将于2006年停止370B/371B的业务”。泰克停止业务的原因不得而知。但对我们却是千载难逢的机会。当然，公司内部也的确存在“连作为事实标准的机型都退出市场了，而安捷伦为何反要在这时涉足”的质疑。但我们最终还是说服了这些人，展开了开发。

在着手开发之初，对性能及功能提出了什么目标？

岩崎：提出了三个开发目标。即“稳定性”、“准确性”及“易用性”。

柿谷：从目前的曲线描绘器来看，很难说在检测稳定性及准确性上已经拥有了足够的性能。曲线描绘器以前在检测误差上根本就没有规定。

这里我想以功率MOSFET的导通电阻检测来说一下。最近，功率MOSFET的导通电阻不断降低，有大量数mΩ的元件被推出。用现有曲线描绘器对这些元件进行检测的话，误差有数十mΩ之多。而且，反复进行多次检测时，在未改变设定的情况下，检测结果却存在2～3倍的偏差。也就是说，检测的再现性极差。这样的话，就无法掌握导通电阻的真实数值。

因此，我们在开发B1505A时，就像普通计测仪器一样，有了明确的误差标准。误差为1/10左右，再现性误差为1/1000左右。由此实现高精度检测。

岩崎：使用曲线描绘器即感到满足的用户真的需要如此高精度的测量仪器吗？也许有些人会怀有这样的疑问。不过，我坚信“使其成为必需品的时期一定会到来”。

这一判断源于我们在微弱信号半导体用参数分析仪领域的经历。在微弱信号用途方面，也曾有过不要求高检测精度的时期。其原因是半导体器件用户、即电子设备厂商过去还有较大的设计余量。但是，随着半导体制造技术的进步以及电子设备竞争的加剧，设计余量在逐渐变小，从而对计测仪器提出了高精度要求。

同样的情况也出现在功率半导体器件领域。事实上，相关迹象已开始显现。比如，变频器通常以电压为2级及3级的PWM信号进行控制，但目前有很多研究都在开发通过大量增加电压级数、进行缜细控制来提高效率的技术。要对这种新型变频器使用的功率半导体器件进行检测，无疑是有高精度要求的。

运用电路技术实现开发目标

高“稳定性”及“准确性”得以实现的技术要点都有哪些？

柿谷：B1505A的检测概念与曲线描绘器存在根本性不同（图2)。比如，曲线描绘器使用输出电阻来调整外加电压，因此存在电压下降，无法将所希望的电压施加至被检测物的课题。而B1505A则可解决这一问题。其关键在于“SMU（Source MonitorUnit）”。该器件具备信号源和计测器两种作用。而且，从信号源来看，即可用作电流源，也可用作电压源。技术上的要点在于电路技术。通过对反馈进行优化，进行了可实现理想状态的设计，比如用作电压源时的输出电阻为零（0），用作电流源时的输出电阻为无限大（∞）。也就是说，可以向被检测物施加所希望的电流及电压。由此实现了高稳定性及准确性。 [!--empirenews.page--]

但该技术本身就是微弱信号半导体器件用参数分析仪所使用的技术。此次为适用于功率半导体器件进行了改进。

在“易用性”方面采用了哪些手段？

永井：为了使用户能够简单地操作B1505A，准备了大约300个应用程序库。可对功率半导体器件的各种检测提供测试设定上的支援。

比如，在检测功率半导体器件的某项特性时，如果是“选择最佳检测模块，设定电压和电流，开始检测”之类的方法，用户就必须通过学习掌握计测仪器的诸多事项。这样就会带来沉重负担。因此，在选择检测项目时，为用户准备了对检测模块的选择及连接，以及检测参数的设定进行支援的机制。这就是应用程序库。

另外还为习惯使用曲线描绘器的用户准备了可像曲线描绘器一样来使用的模式（图3）。

开发难度成平方关系增加

开发中碰到的困难都有哪些？

柿谷：由于是高耐压和大电流，所以付出了很大的努力。老工程师都说“电流、电压增加一倍，设计难度就会成平方关系增加”，情况的确如此。虽然我们有过最大达到1000V/10A的设计经历，但B1505A要挑战的是3000V/40A。电压变成了3倍，电流变成了4倍。因此，难度相当于增加到了9倍（3的平方）和16倍（4的平方）的乘积，接近150倍。

最头疼的是市面上没有支持3000V绝缘耐压的部件。尽管半导体、无源部件、连接器及电缆等有最大支持1000V的产品，但几乎没有能够在更高电压下提供保证的产品。所以，此次通过在使用这些部件的同时，对电路进行了改良，并开发了新的部件，确保了3000V的绝缘耐压。

另外，由于是针对高电压/大电流的评测装置，因此还在确保用户安全上费了很大心思。比如，当打开放置被检测物的箱子（夹具）时，就会自动停止供电，以防止用户触电。

岩崎：保护电路的设计也相当辛苦。当装置中的部分半导体器件发生故障时，就会损坏整个装置。为了避免这种情况，必须要配备保护电路。

而保护电路对追求高精度检测的计测仪器来说则是个“干扰”。因为它是由电阻、电容器及电感器组成的。加入保护电路的话，就很难以pA级别的高精度来进行检测。个人感觉是最多只能实现μA级精度的检测。虽然细节不便公布，但此次通过运用电路技术，在确保安全性的同时实现了高检测精度。对于我们设计的保护电路，很多用户都赞扬说“非常棒”。

通过高耐压/大电流计测仪器的开发，是否还获得了其他经验和知识？

柿谷：在超过1500V时，经常会发生与绝缘击穿相关的有趣现象。当然，原来也可施加1500V电压，但过去没有施加准确电压，对发生的现象也没有高精度检测的手段。而使用B1505A即可实现。虽然B1505A是面向功率半导体器件的检测而开发的，但对开发高压用途材料的人员来说也极为有效。


图1：开发的功率半导体评测装置。将被检测物装到配有液晶显示器的装置机身上的夹具（箱子）中进行检测。(点击放大)


图2：检测概念和SMU。通过使用名为SMU的信号源兼检测器实现了高精度检测。SMU通过使用反馈技术，在用作电压源时输出电阻为零，而在用作电流源时输出电阻就会变得无限大。(点击放大)


图3：曲线描绘器功能。使用曲线描绘器功能进行检测后的结果。(点击放大)