GaN p-n结静电特性的差分相位衬度与电子全息测量对比研究及其对纳米尺度场调控的启示

【编辑推荐】本研究针对III族氮化物半导体器件中纳米尺度静电势精确表征的难题，通过对比差分相位衬度（DPC）与电子全息（EH）技术对GaN p-n结的测量，发现EH在测量内置电势（Vbi）、最大电场强度（Emax）和空间电荷区（SCR）宽度时结果更接近理论值，揭示了电子束剂量率对测量准确性的关键影响，为纳米电子器件表征提供了方法学指导。

　　

【研究背景】
III族氮化物半导体（如GaN）因其优异的电学和光学性能，已成为高功率晶体管和激光二极管的核心材料。然而，这类材料中强烈的极化效应会在界面产生额外的面电荷，使得纳米尺度静电势的精确调控变得至关重要。传统表征技术面临两大挑战：一是GaN的纤锌矿结构低对称性导致动态衍射条件下信号对样品厚度和弯曲极度敏感；二是电子束照射会诱发电子-空穴对，显著降低测量电势的准确性。

【研究方法】
德国研究团队在《Ultramicroscopy》发表的工作中，采用聚焦离子束（FIB）制备了三种厚度的GaN p-n结样品（掺杂浓度N_A=5×10¹⁸ cm^?3，N_D=2×10¹⁸ cm^?3），通过差分相位衬度（DPC，基于4D-STEM技术）和电子全息（EH）同步测量电场与电势分布，结合有效厚度模型分离表面与体效应。

【研究结果】

1. 实验结果对比：EH测得的V_bi（~3.2V）是DPC结果（~1.5V）的2倍，且更接近Shockley模型预测值；SCR宽度在EH中为120nm，远超DPC的60nm。
2. 剂量率效应：EH的低剂量率（<1e^?3 A/cm²）显著减少了电子-空穴对生成，而DPC的高剂量率导致空间电荷区部分屏蔽。
3. 技术差异：DPC直接测量电场（灵敏度~0.3V/nm），EH通过相位重构电势（精度达0.1V），但EH对样品取向更敏感。

【结论与意义】
该研究首次系统比较了DPC与EH在GaN p-n结表征中的差异，证实低剂量EH更适合氮化物半导体纳米电势测量。这一发现为未来高精度电子显微技术选择提供了实验依据，尤其对极化敏感器件的界面电荷研究具有方法论革新意义。作者Laura Niermann指出，电子束诱导偏压效应必须纳入纳米尺度静电测量的误差分析框架。