（来源：第三代半导体产业）
近日，第71届国际电子器件大会IEDM 2025（International Electron Devices Meeting，简称 IEDM）在美国旧金山召开。在本届 IEDM 上，南京大学陆海教授团队同期发布了2项光电精密测量芯片工作。其中，在34 | SMB | Integrated Photo Sensors and Applications分会场报道了首款应用于电子显微技术的单电子探测与参量感知芯片。
电子显微镜被称为电子仪器领域的“登月工程”，其通过对材料散射电子和次级荧光光子的探测，实现对微观结构和元素成分的高精度分析。随着制程节点微缩化，电子显微技术已逐渐成为半导体制造特征尺寸、缺陷分析的关键工具。其中，具有电子参量精密测量能力的直接电子探测器是核心芯片。南京大学陆海教授团队基于宽禁带半导体SiC材料，创新解决了全垂直电荷收集场调控、暗电流抑制、低噪声前端电子学芯片与系统集成封装等系列问题，成功突破单电子探测器和多参量分析芯片技术，实现单电子时间、能量等参量的精密测量与显微。
●论文简介
入选论文题目：《Single-Electron-Sensitive SiC Detector for Energy Spectroscopy, Time-Resolved Characterization, and Scattering Electron Imaging in Electron Microscopy》
论文作者：徐尉宗，徐仁杰，赵九州，郭越，苗涛，金杰，张凌，谭佳炜，顾广扬，余航，毛成，周东，周峰，任芳芳，李驰，叶建东，张荣，郑有炓，陆海*
团队徐尉宗副教授为论文第一作者，陆海教授为通讯作者，该工作获得郑有炓院士、张荣院士、陈敦军教授、任芳芳教授等老师指导和帮助，并获得中科院国家纳米科学中心李驰教授团队合作支持。
论文详情：https://iedm25.mapyourshow.com/8_0/sessions/session-details.cfm?scheduleid=259
●研究背景
传统电子束检测技术主要依赖于电子束流积分以实现高信噪比显微成像，愈发难以满足检测精度、吞吐率、半导体精密结构保护等核心应用需求。研制具有更高灵敏度、更快响应速度的直接电子探测器是首要攻关任务。
宽禁带半导体从基础材料层面为电子探测器提供了新的选择，在本征载流子浓度、载流子饱和漂移速度、高温与辐照环境稳定性等方面具有显著优势。然而，面向电子精密探测，仍需要从探测材料、器件工艺、电子学电路与集成封装等环节充分解决漏电流抑制、寄生参数优化、电子学噪声处理等问题。
●研究方法和实验
团队基于厚膜外延SiC材料提出并发展了具有等电势保护环结构的新型电子探测器，利用该保护环结构实现了对探测灵敏区域边缘尖峰电场的充分抑制，以及对非灵区域噪声电荷的有效屏蔽。同时，得益于宽禁带半导体低热载流子产生率、优异的温度稳定性，该探测器暗电流在200°C芯片温度下仍然保持在皮安以下，并实现了近100%的电荷收集效率。
在进一步的电子响应测试实验中，探测器在现有主流显微镜的电子束流范围内，即~0.8 pA 至 ~400 nA ，表现出优异的束流检测线性度，覆盖近106的线性动态响应范围。即使对于最小束流条件，探测器响应电流仍然比暗电流高104，为单电子级高灵敏度探测提供了芯片基础。
此外，SiC探测器还表现出优异的抗辐照特性，在极端1GeV重离子辐照和107 A/cm²@ 30 keV极端聚焦电子束流辐照下，探测器暗电流和响应特性几乎零退化。团队还进一步与合作单位一起搭建了散射电子显微系统，并优化了基于时域电子响应电流的二维图像重构算法，初期实现了34nm的空间分辨率。值得指出的是，该电子显微图像相较于二次电子图像，具有更优异的表面成分分辨能力。
进一步的，团队基于自身在低噪声光电信号处理芯片领域的优势技术积累，发展了具有电子能量、时间信号解耦分析能力的专用电子学芯片，实现了单电子精密测量，时间分辨率达到6.6ns。所提取的单电子能量和时间信息表现出与样品形貌、成分的直接关联关系，实现了对目标样品的单电子级分辨与显微。
●研究结论与未来展望
本成果所发展的单电子多维参量精密测量芯片，通过对电子-样品耦合作用过程的精密解构，实现样品形貌、元素等信息的高通量感知，为新一代低损、高效、高精度半导体量测技术提供新型电子学显微方法和传感芯片，其应用还将涵盖从基础研究（量子材料）到工业制造（工艺优化、失效分析）等广泛领域。
关于IEDM会议
IEDM 是全球半导体与电子器件领域最具权威和影响力的顶级会议之一，以其严苛的评审标准与前瞻性的技术视野，被誉为“电子器件突破性技术的风向标”和“器件的奥林匹克盛会”，在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力。
会议始于1955年，距今已有七十余年历史，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的世界顶级论坛，同时它也是国际著名高校、研发机构和 Intel、TSMC、三星、 IBM 等发布先进技术和最新进展的重要窗口和平台。
每一年的IEDM 盛会，都是全球半导体行业关注的焦点。本次会议以100 YEARS of FETs: SHAPING the FUTURE of DEVICE INNOVATIONS 为主题，于2025年12月6日至10日召开。
*南京大学陆海教授团队供稿。
