近日，南京大學張榮院士、葉建東教授與美國弗吉尼亞理工張宇昊教授、賈曉婷教授聯(lián)合研究團隊，在第 70 屆國際電子器件大會（IEDM 2024，國際電子器件領(lǐng)域權(quán)威會議）上以 “Non-Intrusive and Precise Electric Field Sensing of High-Field Electron Devices by Franz-Keldysh Ef-fect”為題報告了在強場下對超寬禁帶半導體功率器件進行無損原位電場微區(qū)檢測的最新成果。該成果已獲得授權(quán)發(fā)明專利（一種半導體晶片內(nèi)部電場的檢測辦法，ZL202410919386.X）。

面對光伏逆變器、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)部電場的精準調(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)部電場的分布主要依賴 TCAD 數(shù)值仿真預(yù)測，現(xiàn)有的一些電場檢測手段仍存在高場不準確性、檢測限低或損傷性等問題，尚缺乏在強電場條件下對器件內(nèi)部電場進行原位精確無損檢測的有效手段。

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

研究團隊進一步利用由陸海教授和任芳芳教授構(gòu)建的微區(qū)光電測試先進平臺（圖 2a），基于光電流與界面電場的內(nèi)在量化關(guān)系，實現(xiàn)了對工作中器件內(nèi)部微區(qū)電場分布的亞微米級檢測（圖2b），檢測限達到 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分布的差異，并揭示了導致這些器件擊穿電壓差異顯著的物理機制。此外，通過江南大學閆大為教授自主研發(fā)的微光發(fā)射顯微鏡（EMMI）系統(tǒng)，對臨界擊穿熱點位置進行觀察對比（圖 2c），進一步驗證了該方法獲得的電場分布結(jié)果的準確性。這表明，該方法能夠在較低偏壓下精準預(yù)測器件在過電壓狀態(tài)下發(fā)生破壞性失效的位置。

圖1：（a）半導體中的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)測試譜以及與模型的擬合結(jié)果；（e）擬合得到的界面電場與仿真值的比較以及光電流與擬合得到的界面電場的關(guān)系。

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

與現(xiàn)有的電場檢測方法相比，本研究首次同時實現(xiàn)了電場的原位無損檢測和亞微米級分辨率，且檢測限達到了目前的最高水平。由于 F-K效應(yīng)適用于所有半導體材料，這一研究方法具有廣泛的適用性和擴展性，適用于各種功率電子器件的檢測。這一創(chuàng)新性成果有望為高場器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供重要指導，從而進一步推動其性能和可靠性的提升。

本工作在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和江蘇省科技重大專項等項目的支持下開展。南京大學裴馨儀博士生和美國弗吉尼亞理工鞏賀賀博士為論文共同第一作者，南京大學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，本工作獲得了南京大學陸海教授、任芳芳教授、顧書林教授、王欣然教授、張榮院士的指導，同時也獲得江南大學閆大為教授在 EMMI 測試方面的支持。

來源：半導體芯科技