中國團隊研制出儀器，精準檢測芯片里的“定時炸彈”

　　在一個隊列方陣中，如果突然缺了一個人，就會出現空位。這樣的“空位”一旦發生在第三代半導體（寬禁帶半導體）材料里就是點缺陷，雖然這樣的缺陷小到肉眼看不見，卻能直接影響芯片的性能。

　　除了“空位”，寬禁帶半導體的點缺陷還包括間隙原子和雜質缺陷等。這些缺陷好比隊列里突然多了一個人，會成為芯片里的“定時炸彈”。一直以來，揭示半導體內單體點缺陷的光電性質是一個世界級難題。這一難題還限制了檢測和分析半導體材料及器件缺陷工具的研制進程。

　　2025年6月，國家重大科研儀器研制項目（部門推薦）“寬禁帶半導體點缺陷的單體光電特性表征儀器系統”（以下簡稱項目）順利結題驗收。評定專家組一致認為，“項目在多項核心技術上取得了突破” 。

　　中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱長春光機所）研究員申德振是項目的負責人。日前，他在接受《中國科學報》采訪時表示：“從前期準備到項目驗收，我們團隊付出了10年的努力，接下來我們將推動這套儀器在電子信息和新能源等領域落地應用。”

寬禁帶半導體點缺陷的單體光電特性表征儀器系統核心部件。

　　申報過程并不順利

　　2011年，長春光機所牽頭承擔“973”項目“Ⅱ族氧化物半導體光電子器件的基礎研究”，主要研究目標是解決氧化鋅P型摻雜的國際共性難題。

　　申德振是“973”項目首席科學家。他告訴記者：“當年，我們團隊在國際上首次提出可以克服自補償效應的復合摻雜新理論，相關研究成果發表于《物理評論快報》，獲得了全球專家的高度認可。”

　　當時的研究雖然從理論上取得了突破，但隨著寬禁帶半導體缺陷精準調控技術以及納米集成電路制程等即將進入納米尺寸，未來即便是半導體內的單體缺陷，也會對超小尺寸的單器件產生重要的影響。

　　于是，申德振帶領團隊準備申請國家重大科研儀器研制項目，希望從近表面的點缺陷入手，研究半導體內單體點缺陷性質。

　　然而，申報過程并不順利。申德振還記得他們從2015年開始準備項目的申報，最終專家組對團隊提出的項目科學意義表示了認可，但在技術路線方面存在質疑。

　　“2016年我們又在專家意見基礎上繼續凝練，再次申請還是以失敗告終，但這一次專家組的認可度提高了很多，也提升了我們對項目申報的信心。”申德振說，“2017年，我們終于得到了評審專家的認可，項目得以批準通過。”

　　談及為什么要研制這套儀器，申德振指出，當時我國半導體點缺陷全表征領域的核心困境是設備與核心部件依賴進口、表征技術體系不完整、工業應用與基礎研究脫節，整體技術較國際領先水平相差10到20年，高端應用環節的差距甚至達二三十年。

　　隨著半導體器件特征尺寸即將步入亞10納米級階段，我國和全球都缺乏對半導體內點缺陷，如空間位置、電子能級、振動能級等進行有效高分辨表征的儀器系統。

　　為此，申德振團隊瞄準了這個雖然小但非常重要的方向，希望針對半導體內單體缺陷精準表征，做出一套具有自主知識產權的儀器系統。

　　平衡“借鑒”與“獨創”

　　項目啟動之初，多位專家提出，實施過程中應重點關注針尖加工及微弱信號收集的難度，做好風險防控。

　　在針尖加工方面，申德振帶領團隊沒有簡單沿用傳統超高真空低溫（STM）/針尖增強（TERS）的針尖研制思路，而是從材料選擇、幾何結構到等離激元響應進行了系統重構，確保針尖制備過程穩定且可重復。

　　在信號采集方面，考慮到單體點缺陷本身信號極其微弱，申德振帶領團隊采用了多物理通道協同增強的策略，將單體點缺陷拉曼、深能級瞬態譜和發射光譜有機整合，顯著提升了信噪比與判據可靠性。

　　另外，針對半導體材料中的點缺陷、布里淵區邊界效應及等離激元高效量子耦合等難題，團隊開展了一系列攻關。

　　“有一次，團隊連續數周晝夜調試系統，只為穩定獲取一個‘理論上存在、實驗上極不穩定’的缺陷振動模信號。”申德振回憶道，最終，當那條清晰、可重復的譜線第一次出現時，大家突然意識到，這不是一條簡單譜線，而是一個技術上的巨大進步。

　　項目由長春光機所牽頭，中國科學院微電子研究所、中國科學院物理研究所、南昌大學等合作單位共同完成。

　　“項目的順利完成離不開兄弟單位從多個維度的協助。”申德振表示，大家先充分論證各個環節，再論證整體方案，各單位通過保障資源協同機制，實現了技術標準統一、資源高效整合。

　　作為項目負責人和首席科學家，申德振在該項目實施過程中始終強調“自主知識產權”。

　　申德振指出：“在半導體缺陷極限精準表征領域推進自主知識產權研發、實現核心技術國產化時，必須承認我們首先是站在了‘巨人’的肩膀上，利用國際已有的前沿技術，以需求牽引為前提，平衡‘借鑒’與‘獨創’。”

　　團隊上下均意識到，只有充分借鑒“已知原理與成熟架構”，才能進一步獨創并錨定“原子級、原位和跨尺度”等極限場景與底層機理，實現知識產權閉環和技術迭代，最終形成長期的“跟跑到并跑再到領跑”的漸進式突破路徑。

研究人員在安裝調試儀器系統。受訪者供圖

　　知其然知其所以然

　　項目的順利驗收，意味著該儀器成功實現半導體表面下點缺陷單原子級分辨的拉曼光譜成像與測量，有望促進我國半導體點缺陷測試分析技術的發展。

　　該儀器系統可以對碳化硅、氮化鎵等功率芯片缺陷進行掃描檢測，反饋工藝改進的迭代將有助于核心芯片的良率提升。同時，該儀器還可以對量子芯片單原子缺陷控制、硅光芯片異質集成界面缺陷等進行檢測與溯源。通過對固態電池電解質、電極界面缺陷進行精準表征，以及光伏器件載流子復合中心的精準定位，該儀器能夠從材料底層邏輯層面助力新能源產業發展。

　　“此前的研究在半導體表面，對單原子和單鍵級進行精準解析，難以解決半導體內單體缺陷表征的難題。”申德振告訴《中國科學報》，“我們不僅優化了前人的技術，還通過結合硬件和軟件控制光場、對半導體表面等離子體基元的精準耦合，成功實現對半導體內單體缺陷的精準探測。”

　　半導體材料表征具有普適性，團隊研發的技術還可以拓展到第三代半導體材料與器件單體缺陷表征和控制的研發。比如，該技術可以實現碳化硅中碳雜質、氮化鎵中氮空位等空位復合體等表面下點缺陷的單鍵級識別，區分不同缺陷構型的拉曼指紋。“這就可以解決傳統表征‘知其然不知其所以然’的瓶頸。”申德振說。

　　團隊通過原創技術與標準、專利、設備的協同開發，有望顯著提升我國在該領域的國際話語權。

　　解決理論到工程化瓶頸

　　在儀器研制中，“穩定性、可靠性、實用性”被反復提及。申德振解釋道，要實現 “穩定性、可靠性、實用性”，需從硬件冗余與校準、軟件算法閉環、環境與流程控制三方面系統落地。

　　實際上，“理論可行但工程化遇阻”是常態。對此，團隊的解決路徑是機理拆解到問題定位，再到分層優化，最后進行驗證閉環，通過軟硬件協同與迭代測試打通從實驗室到產線的轉化瓶頸。

　　申德振舉了一個例子：“對于半導體內單體點缺陷信號檢測技術，我們從樣品精準制備、高效激發到信號接收都做到了極致，實現了通常被認為不可能的表征效果。”

　　目前，申德振正帶領團隊依托姑蘇實驗室的工程化平臺，開展氧化鎵高壓高功率器件的重大應用研究，并針對納米集成電路芯片精準解析進行研發，這是一項面向未來重大新興產業的核心技術研發。

　　對于打通“成果轉化最初一公里”，申德振談到，他們的設計路線首先是通過姑蘇實驗室的平臺賦能，解決理論到工程化瓶頸，然后利用人工智能（AI）進行概念驗證，使用AI驅動缺陷智能識別與高通量檢測，建設概念驗證中心加速樣機迭代，同時加強產學研協同，讓更核心的前沿科學儀器等核心部件國產化，逐漸形成科學-技術-工程的快速發展模式，不斷推動我國戰略科技與未來戰略性新興產業技術進步。

　　“國家重大科研儀器研制項目的申報競爭非常激烈，但大多偏前端科研，儀器能落地產業化的很少，從實驗室走向市場的階段，依然需要政策和資金的支持。”申德振表示，未來重大科研儀器的研制將圍繞AI與儀器深度融合、軟硬協同閉環，實現高通量、原位智能表征、工程化快速轉化，逐一突破工業體系里多項“卡脖子”技術。

《中國科學報》 (2026-01-26 第4版 自然科學基金)

 《中國科學報》 記者 沈春蕾