近日，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)中心“基于 4D-STEM 技術(shù)解決微觀尺度下局域電性表征”的技術(shù)，攻克了第三代半導(dǎo)體材料原子尺度電學(xué)性能表征核心技術(shù)瓶頸，形成多項(xiàng)“人無(wú)我有”的關(guān)鍵突破。相關(guān)成果已在Nanoscale期刊發(fā)表，且具備對(duì)外技術(shù)服務(wù)能力，為 GaN 基器件異質(zhì)結(jié)優(yōu)化、二維電子氣調(diào)控及器件失效分析提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域高端檢測(cè)服務(wù)空白。

GaN 作為第三代半導(dǎo)體核心材料，其微觀尺度下的電場(chǎng)分布、電勢(shì)變化及二維電子氣濃度直接決定器件開關(guān)速度、耐壓性能與可靠性。傳統(tǒng)表征技術(shù)中，C-V, Hall等電學(xué)或光譜測(cè)量方法僅能得到近微觀或統(tǒng)計(jì)性結(jié)果，難以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的電場(chǎng)或2DEG表征。4D-STEM 技術(shù)憑借其亞埃級(jí)空間分辨率與多維信息采集能力，成為解決微觀局域電性表征難題的核心手段，但行業(yè)內(nèi)除設(shè)備廠家外，具備自主數(shù)據(jù)處理能力及對(duì)外測(cè)試服務(wù)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)極少。 

深圳平湖實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)中心基于 4D-STEM 技術(shù)開展系統(tǒng)性研究，包括建立數(shù)據(jù)處理體系；完善微觀電磁場(chǎng)表征能力；實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)GaN界面極化電場(chǎng)表征；完成GaN基體系2DEG的可視化與量化等。研究成果可為GaN外延工藝的優(yōu)化迭代及電場(chǎng)表征提供重要技術(shù)支撐與數(shù)據(jù)反饋，且搭配TEM原位功能可實(shí)現(xiàn)不同偏壓下的器件電場(chǎng)表征。

1. 建立 4D-STEM 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理體系：突破物理探頭限制，實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)集中 k 空間任意范圍、任意位置的衍射信號(hào)成像，大幅拓展表征靈活性與信息獲取維度；

2. 完善微觀電磁場(chǎng)表征能力: 通過自主算法開發(fā)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)、電勢(shì)、電荷密度的精準(zhǔn)表征，提升數(shù)據(jù)處理效率與定制化適配能力，搭配 TEM 原位加電系統(tǒng)，可完成不同偏壓下器件結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布測(cè)試，實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果的相互驗(yàn)證；

3. 實(shí)現(xiàn)原子級(jí) GaN 界面極化電場(chǎng)表征：通過算法精準(zhǔn)分離原子內(nèi)勢(shì)，僅保留界面極化電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，達(dá)成亞埃級(jí)極化電場(chǎng)可視化 mapping；

4. 完成 GaN 基體系二維電子氣可視化與量化：通過對(duì)極化電場(chǎng)的微分計(jì)算，實(shí)現(xiàn)二維電子氣濃度的量化表征，為器件工藝優(yōu)化提供直接數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

異質(zhì)結(jié)界面的重構(gòu)ADF圖像、CoM偏移及界面極化電場(chǎng)矢量分布示意圖

該技術(shù)不僅使深圳平湖實(shí)驗(yàn)室成為國(guó)內(nèi)極少數(shù)用于4D-STEM對(duì)外服務(wù)及數(shù)據(jù)處理能力的分析檢測(cè)機(jī)構(gòu)，更以自主創(chuàng)新的差異化技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高了分析檢測(cè)原子級(jí)表征的高端服務(wù)能力，為我國(guó)半導(dǎo)體材料工藝升級(jí)、器件性能突破及產(chǎn)業(yè)鏈自主可控提供關(guān)鍵技術(shù)保障。

（來(lái)源：深圳平湖實(shí)驗(yàn)室）