高场电子器件非侵入式、亚微米级精确电场检测

近日，南京大学张荣院士、叶建东教授与美国弗吉尼亚理工张宇昊教授、贾晓婷教授联合研究团队，在第 70 届国际电子器件大会（IEDM 2024，国际电子器件领域权威会议）上以 “Non-Intrusive and Precise Electric Field Sensing of High-Field Electron Devices by Franz-Keldysh Ef-fect”为题报告了在强场下对超宽禁带半导体功率器件进行无损原位电场微区检测的最新成果。该成果已获得授权发明专利（一种半导体晶片内部电场的检测办法，ZL202410919386.X）。

面对光伏逆变器、汽车电子和轨道交通等复杂电气环境中的应用需求，提升功率电子器件的可靠性成为发展的关键，而器件内部电场的精准调控则是保证其性能与可靠性的核心要素。目前，功率器件内部电场的分布主要依赖 TCAD 数值仿真预测，现有的一些电场检测手段仍存在高场不准确性、检测限低或损伤性等问题，尚缺乏在强电场条件下对器件内部电场进行原位精确无损检测的有效手段。

基于上述问题，南京大学与美国弗吉尼亚理工联合研究团队利用半导体普遍具有的 Franz-Keldysh（F-K）效应（图 1a），研究了半导体在电场作用下光吸收跃迁过程的变化机制，并通过检测材料吸收边的位移精确测定电场。由于 F-K效应在高电场条件下表现更为显著，因此特别适用于高场条件下功率器件的原位电场检测。研究团队首次将该效应应用于超宽禁带半导体功率器件，对不同氧化镓功率二极管器件（图 1b）进行精确的光响应建模（图 1c）。通过以界面电场为唯一拟合参数，将模型与不同电压下器件的亚带隙光响应测试谱进行定量拟合（图 1d），最终获得了界面电场的具体数值，并建立了光电流与界面电场之间的关系（图 1e）。

研究团队进一步利用由陆海教授和任芳芳教授构建的微区光电测试先进平台（图 2a），基于光电流与界面电场的内在量化关系，实现了对工作中器件内部微区电场分布的亚微米级检测（图2b），检测限达到 3.1 MV/cm。这一方法成功“可视化”了不同氧化镓功率器件中电场分布的差异，并揭示了导致这些器件击穿电压差异显著的物理机制。此外，通过江南大学闫大为教授自主研发的微光发射显微镜（EMMI）系统，对临界击穿热点位置进行观察对比（图 2c），进一步验证了该方法获得的电场分布结果的准确性。这表明，该方法能够在较低偏压下精准预测器件在过电压状态下发生破坏性失效的位置。

图1：（a）半导体中的F-K效应原理图；（b）本工作中制备的三种β-Ga2O3二极管的结构示意图；（c）构建的光响应模型；（d）光响应测试谱以及与模型的拟合结果；（e）拟合得到的界面电场与仿真值的比较以及光电流与拟合得到的界面电场的关系。

图2：（a）搭建的光电流扫描系统示意图；（b）通过该方法得到的高反向偏压下器件内部界面电场分布的二维图；（c）三种器件临界击穿电压下的失效点的微光显微镜图。

与现有的电场检测方法相比，本研究首次同时实现了电场的原位无损检测和亚微米级分辨率，且检测限达到了目前的最高水平。由于 F-K效应适用于所有半导体材料，这一研究方法具有广泛的适用性和扩展性，适用于各种功率电子器件的检测。这一创新性成果有望为高场器件的结构设计与优化提供重要指导，从而进一步推动其性能和可靠性的提升。

本工作在国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省科技重大专项等项目的支持下开展。南京大学裴馨仪博士生和美国弗吉尼亚理工巩贺贺博士为论文共同第一作者，南京大学叶建东教授和弗吉尼亚理工张宇昊教授、贾晓婷教授为论文共同通讯作者。同时，本工作获得了南京大学陆海教授、任芳芳教授、顾书林教授、王欣然教授、张荣院士的指导，同时也获得江南大学闫大为教授在 EMMI 测试方面的支持。

来源：半导体芯科技