科学家找到精确测量半导体器件内电场的突破性方法

导读：布里斯托大学的一支研究团队，刚刚发现了一种能够实现更快的通信系统、并且让电子设备更加节能的新方法。

布里斯托大学的一支研究团队，刚刚发现了一种能够实现更快的通信系统、并且让电子设备更加节能的新方法。据悉，这项研究的重点，在于突破性地通过远程方式，测得了半导体器件内部的电场。以常见的硅基半导体材料为例，其特点是能够控制电子设备的电流，此外还有氮化镓（GaN）等新型半导体方案。

半导体器件中的量化电场，上图展示了氮化镓晶体管沟道中的电场分布，激光束则凸显了这项技术的二次谐波生成（SHG）特性。（图自：Yuke Cao）

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在 2021 年 6 月 21 日发表于《自然电子学》（Nature Electronics）上的新论文中，科学家们概述了他们是如何精确量化该电场的，意味着能够开发出具有更快潜力的下一代功率与射频电子器件，同时让它变得更加可靠和节能。

传统半导体器件的研发设计，可以通过反复试验来进行。但目前更常见的，还是基于器件的模拟，然后为实际应用的半导体器件制造提供理论等方面的基础。

不过在涉及新兴的半导体材料时，研究人员通常也难以估量这些模拟实际上有多准确。

研究配图 - 1：氮化镓 HEMT 上的 EFISHG 实验示意与器件信息

布里斯托尔大学物理学院的 Martin Kuball 教授表示：“半导体可用于传导正负电荷，并被设计成能够调节和操纵电流。然而相关理论并不仅限于硅基半导体，比如此前常用于蓝光 LED 的氮化镓”。

以能够将交流电转换成直流电的开关型电源适配器为例，其一大短板就是会产生废热损失。想想那些体型大如砖头的笔记本电脑电源适配器，如果我们能够提升其转换效率并减少废热，即可达成节约能源的目的。

研究配图 - 2：氮化镓 HEMT 器件中的电场分布

研究人员指出，当向电子设备施加电压时，另一端就可输出电流。而电子设备内部形成的电场，就决定了设备的工作方式、运行时间、以及状态信息。

此前无人能真正测量到这个电场，但它对设备的操作至关重要。毕竟只依赖于模拟方案，其可信度是相当一般的，除非你可以实现精准的测量。

研究配图 - 3：晶圆 A / B 上的器件仿真结果

为了使这些新材料具有良好的性能、并用于打造持久耐用的电子设备，研究人员需要努力找到最佳的设计方案。换言之，电子器件中的电场，不该超过会导致其退化或故障的临界值。

为此，专家们纷纷将目光瞄向了氮化镓等新兴材料、而不是传统硅基半导体方案。其允许在更高的频率和电压下运行，从而减少能量损失、并催生新兴的电路应用。

研究配图 - 4：面内电场（模拟信道）在横向空间的分辨率

布里斯托大学研究团队新发表的这篇新文章，就着重介绍了《亚微米分辨率下的宽带隙半导体器件的电场映射》。相关突破得益于一种新型光学工具，它能够用于直接测量这些新装置中的电场。

此举为将来高效能电力电子应用提供了有力的支撑，从而推动向国家电网、电动汽车、高铁、航空器等供电的太阳能或风力涡轮机的进一步发展。

扩展数据图 - 1：用于 EFISHG 测量的光学装置示意图

Martin Kuball 教授指出，这些设备能够在更高的电压下运行，意味着其中的电场更高、也更容易出现故障。

而他们新开发的技术，能够更加量化地测量设备内的电场，从而提供准确校准的模拟数据，进而推动电子设备的设计发展，使之不因电场超过临界限制而发生故障。

如果一切顺利，这项技术有望让超宽带隙设备技术成为现实，从而节省全球超过 10% 的能源。