近日，南京大學(xué)張榮院士、葉建東教授與美國(guó)弗吉尼亞理工張宇昊教授、賈曉婷教授聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在第 70 屆國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM 2024，國(guó)際電子器件領(lǐng)域權(quán)威會(huì)議）上以 “Non-Intrusive and Precise Electric Field Sensing of High-Field Electron Devices by Franz-Keldysh Ef-fect”為題報(bào)告了在強(qiáng)場(chǎng)下對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行無(wú)損原位電場(chǎng)微區(qū)檢測(cè)的最新成果。該成果已獲得授權(quán)發(fā)明專利（一種半導(dǎo)體晶片內(nèi)部電場(chǎng)的檢測(cè)辦法，ZL202410919386.X）。

面對(duì)光伏逆變器、汽車電子和軌道交通等復(fù)雜電氣環(huán)境中的應(yīng)用需求，提升功率電子器件的可靠性成為發(fā)展的關(guān)鍵，而器件內(nèi)部電場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控則是保證其性能與可靠性的核心要素。目前，功率器件內(nèi)部電場(chǎng)的分布主要依賴 TCAD 數(shù)值仿真預(yù)測(cè)，現(xiàn)有的一些電場(chǎng)檢測(cè)手段仍存在高場(chǎng)不準(zhǔn)確性、檢測(cè)限低或損傷性等問(wèn)題，尚缺乏在強(qiáng)電場(chǎng)條件下對(duì)器件內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行原位精確無(wú)損檢測(cè)的有效手段。

基于上述問(wèn)題，南京大學(xué)與美國(guó)弗吉尼亞理工聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用半導(dǎo)體普遍具有的 Franz-Keldysh（F-K）效應(yīng)（圖 1a），研究了半導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下光吸收躍遷過(guò)程的變化機(jī)制，并通過(guò)檢測(cè)材料吸收邊的位移精確測(cè)定電場(chǎng)。由于 F-K效應(yīng)在高電場(chǎng)條件下表現(xiàn)更為顯著，因此特別適用于高場(chǎng)條件下功率器件的原位電場(chǎng)檢測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)首次將該效應(yīng)應(yīng)用于超寬禁帶半導(dǎo)體功率器件，對(duì)不同氧化鎵功率二極管器件（圖 1b）進(jìn)行精確的光響應(yīng)建模（圖 1c）。通過(guò)以界面電場(chǎng)為唯一擬合參數(shù)，將模型與不同電壓下器件的亞帶隙光響應(yīng)測(cè)試譜進(jìn)行定量擬合（圖 1d），最終獲得了界面電場(chǎng)的具體數(shù)值，并建立了光電流與界面電場(chǎng)之間的關(guān)系（圖 1e）。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用由陸海教授和任芳芳教授構(gòu)建的微區(qū)光電測(cè)試先進(jìn)平臺(tái)（圖 2a），基于光電流與界面電場(chǎng)的內(nèi)在量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作中器件內(nèi)部微區(qū)電場(chǎng)分布的亞微米級(jí)檢測(cè)（圖2b），檢測(cè)限達(dá)到 3.1 MV/cm。這一方法成功“可視化”了不同氧化鎵功率器件中電場(chǎng)分布的差異，并揭示了導(dǎo)致這些器件擊穿電壓差異顯著的物理機(jī)制。此外，通過(guò)江南大學(xué)閆大為教授自主研發(fā)的微光發(fā)射顯微鏡（EMMI）系統(tǒng)，對(duì)臨界擊穿熱點(diǎn)位置進(jìn)行觀察對(duì)比（圖 2c），進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法獲得的電場(chǎng)分布結(jié)果的準(zhǔn)確性。這表明，該方法能夠在較低偏壓下精準(zhǔn)預(yù)測(cè)器件在過(guò)電壓狀態(tài)下發(fā)生破壞性失效的位置。

圖1：（a）半導(dǎo)體中的F-K效應(yīng)原理圖；（b）本工作中制備的三種β-Ga2O3二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）構(gòu)建的光響應(yīng)模型；（d）光響應(yīng)測(cè)試譜以及與模型的擬合結(jié)果；（e）擬合得到的界面電場(chǎng)與仿真值的比較以及光電流與擬合得到的界面電場(chǎng)的關(guān)系。

圖2：（a）搭建的光電流掃描系統(tǒng)示意圖；（b）通過(guò)該方法得到的高反向偏壓下器件內(nèi)部界面電場(chǎng)分布的二維圖；（c）三種器件臨界擊穿電壓下的失效點(diǎn)的微光顯微鏡圖。

與現(xiàn)有的電場(chǎng)檢測(cè)方法相比，本研究首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)的原位無(wú)損檢測(cè)和亞微米級(jí)分辨率，且檢測(cè)限達(dá)到了目前的最高水平。由于 F-K效應(yīng)適用于所有半導(dǎo)體材料，這一研究方法具有廣泛的適用性和擴(kuò)展性，適用于各種功率電子器件的檢測(cè)。這一創(chuàng)新性成果有望為高場(chǎng)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要指導(dǎo)，從而進(jìn)一步推動(dòng)其性能和可靠性的提升。

本工作在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和江蘇省科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下開展。南京大學(xué)裴馨儀博士生和美國(guó)弗吉尼亞理工鞏賀賀博士為論文共同第一作者，南京大學(xué)葉建東教授和弗吉尼亞理工張宇昊教授、賈曉婷教授為論文共同通訊作者。同時(shí)，本工作獲得了南京大學(xué)陸海教授、任芳芳教授、顧書林教授、王欣然教授、張榮院士的指導(dǎo)，同時(shí)也獲得江南大學(xué)閆大為教授在 EMMI 測(cè)試方面的支持。

來(lái)源：半導(dǎo)體芯科技