近日，第71屆國(guó)際電子器件大會(huì) IEDM 2025（International Electron Devices Meeting，簡(jiǎn)稱 IEDM）在美國(guó)舊金山召開。在本屆 IEDM 上，南京大學(xué)陸海教授團(tuán)隊(duì)同期發(fā)布了2項(xiàng)光電精密測(cè)量芯片工作。其中，在 34 | SMB | Integrated Photo Sensors and Applications分會(huì)場(chǎng)報(bào)道了首款應(yīng)用于電子顯微技術(shù)的單電子探測(cè)與參量感知芯片。

電子顯微鏡被稱為電子儀器領(lǐng)域的“登月工程”，其通過(guò)對(duì)材料散射電子和次級(jí)熒光光子的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和元素成分的高精度分析。隨著制程節(jié)點(diǎn)微縮化，電子顯微技術(shù)已逐漸成為半導(dǎo)體制造特征尺寸、缺陷分析的關(guān)鍵工具。其中，具有電子參量精密測(cè)量能力的直接電子探測(cè)器是核心芯片。南京大學(xué)陸海教授團(tuán)隊(duì)基于寬禁帶半導(dǎo)體SiC材料，創(chuàng)新解決了全垂直電荷收集場(chǎng)調(diào)控、暗電流抑制、低噪聲前端電子學(xué)芯片與系統(tǒng)集成封裝等系列問(wèn)題，成功突破單電子探測(cè)器和多參量分析芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單電子時(shí)間、能量等參量的精密測(cè)量與顯微。

論文簡(jiǎn)介

入選論文題目：《Single-Electron-Sensitive SiC Detector for Energy Spectroscopy, Time-Resolved Characterization, and Scattering Electron Imaging in Electron Microscopy》

論文作者：徐尉宗，徐仁杰，趙九州，郭越，苗濤，金杰，張凌，譚佳煒，顧廣揚(yáng)，余航，毛成，周東，周峰，任芳芳，李馳，葉建東，張榮，鄭有炓，陸海*

團(tuán)隊(duì)徐尉宗副教授為論文第一作者，陸海教授為通訊作者，該工作獲得鄭有炓院士、張榮院士、陳敦軍教授、任芳芳教授等老師指導(dǎo)和幫助，并獲得中科院國(guó)家納米科學(xué)中心李馳教授團(tuán)隊(duì)合作支持。 

論文詳情：

https://iedm25.mapyourshow.com/8_0/sessions/session-details.cfm?scheduleid=259

研究背景

傳統(tǒng)電子束檢測(cè)技術(shù)主要依賴于電子束流積分以實(shí)現(xiàn)高信噪比顯微成像，愈發(fā)難以滿足檢測(cè)精度、吞吐率、半導(dǎo)體精密結(jié)構(gòu)保護(hù)等核心應(yīng)用需求。研制具有更高靈敏度、更快響應(yīng)速度的直接電子探測(cè)器是首要攻關(guān)任務(wù)。

 寬禁帶半導(dǎo)體從基礎(chǔ)材料層面為電子探測(cè)器提供了新的選擇，在本征載流子濃度、載流子飽和漂移速度、高溫與輻照環(huán)境穩(wěn)定性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，面向電子精密探測(cè)，仍需要從探測(cè)材料、器件工藝、電子學(xué)電路與集成封裝等環(huán)節(jié)充分解決漏電流抑制、寄生參數(shù)優(yōu)化、電子學(xué)噪聲處理等問(wèn)題。

研究方法和實(shí)驗(yàn)

團(tuán)隊(duì)基于厚膜外延SiC材料提出并發(fā)展了具有等電勢(shì)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的新型電子探測(cè)器，利用該保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)靈敏區(qū)域邊緣尖峰電場(chǎng)的充分抑制，以及對(duì)非靈區(qū)域噪聲電荷的有效屏蔽。同時(shí)，得益于寬禁帶半導(dǎo)體低熱載流子產(chǎn)生率、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，該探測(cè)器暗電流在200°C芯片溫度下仍然保持在皮安以下，并實(shí)現(xiàn)了近100%的電荷收集效率。 

在進(jìn)一步的電子響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)器在現(xiàn)有主流顯微鏡的電子束流范圍內(nèi)，即~0.8 pA 至 ~400 nA ，表現(xiàn)出優(yōu)異的束流檢測(cè)線性度，覆蓋近106的線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。即使對(duì)于最小束流條件，探測(cè)器響應(yīng)電流仍然比暗電流高104，為單電子級(jí)高靈敏度探測(cè)提供了芯片基礎(chǔ)。

此外，SiC探測(cè)器還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照特性，在極端1GeV重離子輻照和107 A/cm² @ 30 keV極端聚焦電子束流輻照下，探測(cè)器暗電流和響應(yīng)特性幾乎零退化。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步與合作單位一起搭建了散射電子顯微系統(tǒng)，并優(yōu)化了基于時(shí)域電子響應(yīng)電流的二維圖像重構(gòu)算法，初期實(shí)現(xiàn)了34nm的空間分辨率。值得指出的是，該電子顯微圖像相較于二次電子圖像，具有更優(yōu)異的表面成分分辨能力。

進(jìn)一步的，團(tuán)隊(duì)基于自身在低噪聲光電信號(hào)處理芯片領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)技術(shù)積累，發(fā)展了具有電子能量、時(shí)間信號(hào)解耦分析能力的專用電子學(xué)芯片，實(shí)現(xiàn)了單電子精密測(cè)量，時(shí)間分辨率達(dá)到6.6ns。所提取的單電子能量和時(shí)間信息表現(xiàn)出與樣品形貌、成分的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)樣品的單電子級(jí)分辨與顯微。

研究結(jié)論與未來(lái)展望

本成果所發(fā)展的單電子多維參量精密測(cè)量芯片，通過(guò)對(duì)電子-樣品耦合作用過(guò)程的精密解構(gòu)，實(shí)現(xiàn)樣品形貌、元素等信息的高通量感知，為新一代低損、高效、高精度半導(dǎo)體量測(cè)技術(shù)提供新型電子學(xué)顯微方法和傳感芯片，其應(yīng)用還將涵蓋從基礎(chǔ)研究（量子材料）到工業(yè)制造（工藝優(yōu)化、失效分析）等廣泛領(lǐng)域。

IEDM會(huì)議

IEDM 是全球半導(dǎo)體與電子器件領(lǐng)域最具權(quán)威和影響力的頂級(jí)會(huì)議之一，以其嚴(yán)苛的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)與前瞻性的技術(shù)視野，被譽(yù)為“電子器件突破性技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)”和“器件的奧林匹克盛會(huì)”，在國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)界享有很高的學(xué)術(shù)地位和廣泛的影響力。

會(huì)議始于1955年，距今已有七十余年歷史，是報(bào)告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的世界頂級(jí)論壇，同時(shí)它也是國(guó)際著名高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)和 Intel、 TSMC、三星、 IBM 等發(fā)布先進(jìn)技術(shù)和最新進(jìn)展的重要窗口和平臺(tái)。

每一年的 IEDM 盛會(huì)，都是全球半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本次會(huì)議以100 YEARS of FETs: SHAPING the FUTURE of DEVICE INNOVATIONS 為主題，于2025年12月6日至10日召開。