宽禁带半导体点缺陷的单体光电特性表征仪器系统核心部件。受访者供图

■本报记者 沈春蕾

在一个队列方阵中，如果突然缺了一个人，就会出现空位。这样的“空位”一旦发生在第三代半导体（宽禁带半导体）材料里就是点缺陷，虽然这样的缺陷小到肉眼看不见，却能直接影响芯片的性能。

除了“空位”，宽禁带半导体的点缺陷还包括间隙原子和杂质缺陷等。这些缺陷好比队列里突然多了一个人，会成为芯片里的“定时炸弹”。一直以来，揭示半导体内单体点缺陷的光电性质是一个世界级难题。这一难题还限制了检测和分析半导体材料及器件缺陷工具的研制进程。

2025年6月，国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）“宽禁带半导体点缺陷的单体光电特性表征仪器系统”（以下简称项目）顺利结题验收。评定专家组一致认为，“项目在多项核心技术上取得了突破” 。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称长春光机所）研究员申德振是项目的负责人。日前，他在接受《中国科学报》采访时表示：“从前期准备到项目验收，我们团队付出了10年的努力，接下来我们将推动这套仪器在电子信息和新能源等领域落地应用。”

申报过程并不顺利

2011年，长春光机所牵头承担“973”项目“Ⅱ族氧化物半导体光电子器件的基础研究”，主要研究目标是解决氧化锌P型掺杂的国际共性难题。

申德振是“973”项目首席科学家。他告诉记者：“当年，我们团队在国际上首次提出可以克服自补偿效应的复合掺杂新理论，相关研究成果发表于《物理评论快报》，获得了全球专家的高度认可。”

当时的研究虽然从理论上取得了突破，但随着宽禁带半导体缺陷精准调控技术以及纳米集成电路制程等即将进入纳米尺寸，未来即便是半导体内的单体缺陷，也会对超小尺寸的单器件产生重要的影响。

于是，申德振带领团队准备申请国家重大科研仪器研制项目，希望从近表面的点缺陷入手，研究半导体内单体点缺陷性质。

然而，申报过程并不顺利。申德振还记得他们从2015年开始准备项目的申报，最终专家组对团队提出的项目科学意义表示了认可，但在技术路线方面存在质疑。

“2016年我们又在专家意见基础上继续凝练，再次申请还是以失败告终，但这一次专家组的认可度提高了很多，也提升了我们对项目申报的信心。”申德振说，“2017年，我们终于得到了评审专家的认可，项目得以批准通过。”

谈及为什么要研制这套仪器，申德振指出，当时我国半导体点缺陷全表征领域的核心困境是设备与核心部件依赖进口、表征技术体系不完整、工业应用与基础研究脱节，整体技术较国际领先水平相差10到20年，高端应用环节的差距甚至达二三十年。

随着半导体器件特征尺寸即将步入亚10纳米级阶段，我国和全球都缺乏对半导体内点缺陷，如空间位置、电子能级、振动能级等进行有效高分辨表征的仪器系统。

为此，申德振团队瞄准了这个虽然小但非常重要的方向，希望针对半导体内单体缺陷精准表征，做出一套具有自主知识产权的仪器系统。

平衡“借鉴”与“独创”

项目启动之初，多位专家提出，实施过程中应重点关注针尖加工及微弱信号收集的难度，做好风险防控。

在针尖加工方面，申德振带领团队没有简单沿用传统超高真空低温（STM）/针尖增强（TERS）的针尖研制思路，而是从材料选择、几何结构到等离激元响应进行了系统重构，确保针尖制备过程稳定且可重复。

在信号采集方面，考虑到单体点缺陷本身信号极其微弱，申德振带领团队采用了多物理通道协同增强的策略，将单体点缺陷拉曼、深能级瞬态谱和发射光谱有机整合，显著提升了信噪比与判据可靠性。

另外，针对半导体材料中的点缺陷、布里渊区边界效应及等离激元高效量子耦合等难题，团队开展了一系列攻关。

“有一次，团队连续数周昼夜调试系统，只为稳定获取一个‘理论上存在、实验上极不稳定’的缺陷振动模信号。”申德振回忆道，最终，当那条清晰、可重复的谱线第一次出现时，大家突然意识到，这不是一条简单谱线，而是一个技术上的巨大进步。

项目由长春光机所牵头，中国科学院微电子研究所、中国科学院物理研究所、南昌大学等合作单位共同完成。

“项目的顺利完成离不开兄弟单位从多个维度的协助。”申德振表示，大家先充分论证各个环节，再论证整体方案，各单位通过保障资源协同机制，实现了技术标准统一、资源高效整合。

作为项目负责人和首席科学家，申德振在该项目实施过程中始终强调“自主知识产权”。

申德振指出：“在半导体缺陷极限精准表征领域推进自主知识产权研发、实现核心技术国产化时，必须承认我们首先是站在了‘巨人’的肩膀上，利用国际已有的前沿技术，以需求牵引为前提，平衡‘借鉴’与‘独创’。”

团队上下均意识到，只有充分借鉴“已知原理与成熟架构”，才能进一步独创并锚定“原子级、原位和跨尺度”等极限场景与底层机理，实现知识产权闭环和技术迭代，最终形成长期的“跟跑到并跑再到领跑”的渐进式突破路径。

知其然知其所以然

项目的顺利验收，意味着该仪器成功实现半导体表面下点缺陷单原子级分辨的拉曼光谱成像与测量，有望促进我国半导体点缺陷测试分析技术的发展。

该仪器系统可以对碳化硅、氮化镓等功率芯片缺陷进行扫描检测，反馈工艺改进的迭代将有助于核心芯片的良率提升。同时，该仪器还可以对量子芯片单原子缺陷控制、硅光芯片异质集成界面缺陷等进行检测与溯源。通过对固态电池电解质、电极界面缺陷进行精准表征，以及光伏器件载流子复合中心的精准定位，该仪器能够从材料底层逻辑层面助力新能源产业发展。

“此前的研究在半导体表面，对单原子和单键级进行精准解析，难以解决半导体内单体缺陷表征的难题。”申德振告诉《中国科学报》，“我们不仅优化了前人的技术，还通过结合硬件和软件控制光场、对半导体表面等离子体基元的精准耦合，成功实现对半导体内单体缺陷的精准探测。”

半导体材料表征具有普适性，团队研发的技术还可以拓展到第三代半导体材料与器件单体缺陷表征和控制的研发。比如，该技术可以实现碳化硅中碳杂质、氮化镓中氮空位等空位复合体等表面下点缺陷的单键级识别，区分不同缺陷构型的拉曼指纹。“这就可以解决传统表征‘知其然不知其所以然’的瓶颈。”申德振说。

团队通过原创技术与标准、专利、设备的协同开发，有望显著提升我国在该领域的国际话语权。

解决理论到工程化瓶颈

在仪器研制中，“稳定性、可靠性、实用性”被反复提及。申德振解释道，要实现 “稳定性、可靠性、实用性”，需从硬件冗余与校准、软件算法闭环、环境与流程控制三方面系统落地。

实际上，“理论可行但工程化遇阻”是常态。对此，团队的解决路径是机理拆解到问题定位，再到分层优化，最后进行验证闭环，通过软硬件协同与迭代测试打通从实验室到产线的转化瓶颈。

申德振举了一个例子：“对于半导体内单体点缺陷信号检测技术，我们从样品精准制备、高效激发到信号接收都做到了极致，实现了通常被认为不可能的表征效果。”

目前，申德振正带领团队依托姑苏实验室的工程化平台，开展氧化镓高压高功率器件的重大应用研究，并针对纳米集成电路芯片精准解析进行研发，这是一项面向未来重大新兴产业的核心技术研发。

对于打通“成果转化最初一公里”，申德振谈到，他们的设计路线首先是通过姑苏实验室的平台赋能，解决理论到工程化瓶颈，然后利用人工智能（AI）进行概念验证，使用AI驱动缺陷智能识别与高通量检测，建设概念验证中心加速样机迭代，同时加强产学研协同，让更核心的前沿科学仪器等核心部件国产化，逐渐形成科学-技术-工程的快速发展模式，不断推动我国战略科技与未来战略性新兴产业技术进步。

“国家重大科研仪器研制项目的申报竞争非常激烈，但大多偏前端科研，仪器能落地产业化的很少，从实验室走向市场的阶段，依然需要政策和资金的支持。”申德振表示，未来重大科研仪器的研制将围绕AI与仪器深度融合、软硬协同闭环，实现高通量、原位智能表征、工程化快速转化，逐一突破工业体系里多项“卡脖子”技术。