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如何利用先进成像技术呈现SiC MOSFET离子布值分布
近几年,受到5G、电动车、以及物联网应用的驱动下,功率金属氧化半导体(Metal oxide semiconductor filed-effect transistor, MOSFET)芯片的需求有强劲的成长。虽然硅功率MOSFET目前是商业市场上的主流,但随着制程渐趋成熟、制造成本降低、以及有较佳的效能(高压/省电),具有宽能隙(Wild band gap, WBG)的第叁类半导体功率MOSFET,如GaN与SiC,已慢慢渗透并取代现有Si MOSFET在较高阶应用的市场,其中SiC MOSFET相对于Si MOSFET有1) 更高的崩溃电场(Breakdown electric field)、2) 较低的漏电/较快的开关速度、与3) 较高电流密度的表现,因此在电动车(功率转换/充电桩)、5G电源与开关、以及太阳能逆变器应用都是SiC MOSFET的利基市场,根据已发表的市场趋势报告,第叁类半导体预计十年(2020-2029)的市场规模将以两位数的速度增长[1]。
SiC MOSFET除了因材料天然特性的关系有较高的崩溃电场,另一个优于Si MOSFET是高速且低开关损耗,其关键因素在于低的导通电阻,因此如何了解信道的离子布植分布状况以降低表面电阻是获得低导通电阻相当重要的一环。离子布植分布状况一般都是利用扫描式电容显微镜(Scanning capacitance microscopy, SCM)所获得[2],但因为繁复的试片制备,SCM分析往往旷日废时,为加快SiC MOSFET研发工程师获得离子布植分布重要信息,泛铨科技开发出利用电子显微镜先进成像技术,简单且快速地呈现SiC MOSFET离子布植分布状况,加快客户研发时程;另外,泛铨科技也利用原本擅长的穿透式电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)分析,让因离子布植所造成的原子级缺陷无所遁形。
本次分析的组件是由市面上购买由Cree制造的SiC power n-MOSFET,型号是C3M0160120J[3]。该组件是采用Cree C3M技术的N通道加强型SiC MOSFET[4],其应用包含再生能源、高压DC/DC变流器、交换式电源供应器、以及不断电系统等。我们此次分析的重点是利用电子显微镜先进成像技术呈现该组件的离子布植分布状况。
图1a是购买组件的原始外观,组件一共有七支Pin脚(标示1-7),其中Pin 1为闸极(Gate),Pin 2为Driver源极(Source),Pin 3-7为Power源极,上方Tab则为汲极(Drain)。图1b是组件开盖后内部芯片的光学显微镜照片。截面试片是由研磨方式所制备,为了能够了解芯片与封装结合状况,我们在制备时仍保留原本封装,研磨大概位置由图2a右下角插入图的红线所标示,图2a是试片截面的扫描式电子显微镜影像,绿色与红色圆点所标示结构/位置与图1b相同,由图2a我们除了可以清楚观察到封装内部结构,在特定位置(黄色箭头标示) 还观察到有聚酰亚胺(Polyimide,简称PI)层的存在,图2b为图2a绿色虚线方框的放大影像,可以清楚看到PI膜是介于封装与芯片之间,单点EDS(红色星号)的结果(图2c)确认该PI膜主要的成分为碳、氮、以及氧。由于PI有良好的耐高低温性能、环境稳定性、力学性能以及优良的介电性能[5],因此做为需要在高温与高电压运作的SiC power MOSFET的绝缘材料再适合也不过了。
图1:(a )此次分析Cree SiC power n-MOSFET组件的外观,组件一共有七支Pin脚(由左到右,标示1-7),Pin 1为Gate,Pin 2为Driver source,Pin 3-7为Power source,上方Tab则为Drain。(b)组件开盖后内部芯片的光学显微镜照片,为了能够承载大电流,Power source有叁个电极(红色圆圈标示)。
图2:(a )组件截面扫描式电子显微镜影像,截面大概位置由右下角插入图的红线所标示。(b )为a绿色虚线方框的放大影像。(c )Polyimide点EDS分析,分析点位置为b图中星号标示处。
图3a为使用一般扫描式电子显微镜成像条件的晶体管影像,由图中可以观察到Gate(红色圆圈)、Source、包住Gate的绝缘层(蓝色圆圈)、以及下方SiC基板,但却无法获得离子布植分布状况的信息;如果采用泛铨科技开发的先进成像技术,则影像质量有卓着的提高,图3b是使用先进成像技术所得到的结果,对比图3a,我们可以清楚观察到离子布植分布的状况(N+与P well),如果采用不同色温来呈现(图3c),影像对比会更加明显。此先进成像技术比起SCM有叁大优势: 1) 试片制备难度不高、2) 搭配聚焦离子束(Focused ion-beam, FIB)设备,可做定点分析、以及3) 分析速度快。当芯片作动时,电流的是由底部Drain端经过N-、P well、N+、最后到Source端,如图3b红色箭号所示。
图3 :(a )SiC MOSFET扫描式电子显微镜影像。(b) 使用先进成像技术所获得的影像,可以清楚观察到离子布植状况,红色箭号标示当芯片作动时,电流的流动方向。(c )更大倍率的扫描式电子显微镜影像,右边为一般灰阶呈现影像,左边是使用色温呈现影像,绿色虚线描绘出离子布植界面。
较高浓度的N+离子布植分布在穿透式电子显微镜也可以观察到(图4a,蓝色箭头),但P well分布相较于图3b与c并没有明显观察到。图4b与c分别是图4a区域的EDS mapping与Gate材料多晶硅(Poly Si)的放大图(绿色虚线方框)。我们知道离子布植是利用高能量离子打进单晶基板中,虽然布植之后还会有热处理过程减少大部分的缺陷,但仍有一定浓度的原子级缺陷存在,具有高空间分辨率的穿透式电子显微镜刚好可以用来观察这样的缺陷。图4d为本次试片SiC基板的高分辨率穿透式电子显微镜影像,可以观察到完美的SiC原子影像;如果分析离子布植内区域(如蓝色箭号标示位置),我们仍可以观察到如原子错位的缺陷(图e黄色箭号标示位置),这可提供制程工程师如何优化离子布植与热处理相当重要的讯息,因为减少缺陷密度就可以减少导通电阻,增加电流密度与减少能耗。
图4: ( a )穿透式电子显微镜在晶体管的放大影像。(b )EDS mapping结果。(c)穿透式电子显微镜在Gate多晶硅(图a绿色虚线方框)的放大影像。(d )SiC基板的高解析穿透式电子显微镜影像。(e )离子布植处(蓝色箭号标示)的高解析穿透式电子显微镜影像,黄色箭号标示原子错位的缺陷。
泛铨科技不但在第一代与第二代半导体材料分析已深耕多年,累积相当多分析经验与优势工法,第叁代半导体正值方兴未艾,泛铨科技一样不会缺席,也会持续研发新工法,提供客户高质量的材料分析。
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铋系材料Bi5O7Br原子级表面凹陷助力光催化CO2还原
Nano Energy:铋系材料Bi5O7Br原子级表面凹陷助力光催化CO2还原
文章信息
铋系材料Bi5O7Br原子级表面凹陷助力光催化CO2还原
共同第一作者:王阳,王凯文,孟茄志
通讯作者:甘立勇*,周小元*
单位:重庆大学
研究背景
利用太阳能光驱动CO2还原制化学燃料提供了一条潜在的绿色路径来缓解能源需求压力和环境污染问题。在过去的几十年里,富铋卤氧化铋材料由于具有独特的层状结构和优异的内建电场受到了人们的广泛关注。然而其有限的可见光吸收和较弱的中间体吸附能力限制了光催化性能的进一步提昇。
文章简介
基于此,重庆大学周小元和甘立勇课题组,在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Constructing Atomic Surface Concaves on Bi5O7Br Nanotube for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction”的研究论文。 该研究提出了一种原子级“-Bi-O-Br-”表面凹陷策略,独特的复合缺陷不仅促进了可见光吸收,而且增强了CO2还原中间体的吸附能力,最终助力光催化CO2还原性能提昇。这项工作为设计和构建高效CO2光还原催化剂提供了一种全新的策略。
本文要点
要点一:实验+理论证明原子级“-Bi-O-Br-”表面凹陷
基于球差电镜和STEM模拟确定表面存在Bi空位缺陷,结合XPS和EPR结果证明表面亦存在O空位和Br空位。随后,理论计算的形成能结果证明叁种空位Bi、O、Br位于一起时具有最低的形成能。综上,实验与理论结合证明了原子级表面凹陷由复合缺陷“-Bi-O-Br-”组成。
Figure 1. (a) TEM image, (b)-(e) HAADF-STEM images of the C-BOB sample. Inset in (c) shows the height line profile. (f) Schematic image of the (001) plane of BOB. (g) Surface plot of (001) surface with a concave. (h) Elemental mapping images of C-BOB.
Figure 2. High-resolution XPS spectra of (a) Bi 4f, (b) O 1s, (c) Br 3d states and (d) EPR spectra for the as-prepared samples. (e) Calculated formation energies of various types of vacancy with corresponding optimized structures shown in (f). VA-B means a B vacancy is created in the presence of an A vacancy. (I) and (II) indicate the adjacent and non-adjacent vacancy complex. The large blue, middle magenta and small orange balls represent Bi, Br and O atoms, respectively. Corresponding vacancy sites are represented by green balls.
要点二:实验+理论证明原子级表面凹陷助力光电催化性质提昇
光电化学实验表征结果显示,相较于本征样品,原子级表面凹陷催化剂具备更强的光吸收能力,更好的光生电子-空穴分离能力。后续理论计算得到的光吸收系数曲线、带边电荷分布以及静电势能曲线也印证了上述优异的光催化性质。
Figure 3. (a) UV-vis diffuse reflectance spectra, (b) Tauc plots, (c) Mott–Schottky plots, (d) PL spectra, (e) TRPL decay measurements, (f) Nyquist plots, (g) photocurrents curves and (h) scheme of electronic band edges of the as-prepared samples.
Figure 4. Calculated properties of pristine and modified BOB: (a)-(b) band structures, (c) light absorption spectra, (d) charge density of states (1.5 × 10-3 |e|/bohr3) griving rise to CBM+1, CBM, VBM and VBM-1 of BOB (upper panels) and C-BOB (lower panels), and (e) electrostatic potential diagrams. Background in (c) is the spectra of solar light. The blue, orange and magenta balls in (d) represent Bi, O and Br atoms, respectively.
要点叁:实验+理论监测CO2还原中间体并分析反应热力学能垒
实验上采用原位红外监测了CO2还原到CO的反应中间体,基于此,理论模拟计算了整个反应的吉布斯自由能。相较于本征体系,具有原子级表面凹陷的体系极大促进了中间物种的吸附,使整体吉布斯自由能曲线更为平滑,最终带来30.96 μmol g−1 h−1的优异性能表现。
Figure 5. (a) Time-dependent CO yield on the as-prepared samples. (b) Cycling stability test for C-BOB with 2 h in each cycle. (c) CO production rate over various catalysts. In-situ DRIFTS for the adsorption and reaction of CO2R on (d) pristine and (e) modified BOB.
Figure 6. (a) Calculated Gibbs free energy profiles for photocatalytic CO2R, (b) pCOHP and (c) charge density differences along with Bader charge analyses of CO2 and COOH adsorption on pristine and concave BOB. Yellow and cyan represent charge accumulation and depletion, respectively. The isosurface value is 8 × 10-4 |e|/bohr3.
文章链接
Constructing Atomic Surface Concaves on Bi5O7Br Nanotube for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108305
通讯作者简介
甘立勇
本文通讯作者
重庆大学副教授
主要研究领域:能源材料物理,理论与实验探索能源材料设计与工况下的基本物理化学机制。
简介:重庆大学副教授,博士生导师,长期从事能源材料器件性能优化与设计,主要包括二维材料相关的输运性质、异相催化、光电催化、锂(钠、镁)离子电池等。至今以第一或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem. Lett.、Phys. Rev. B等重要国际学术期刊发表论文50多篇,被SCI他引3000多次,H因子34。主持国家自然科学基金2项、重庆市自然科学基金及合作研究项目5项。担任包括Nat. Commun.、J. Mater. Chem. A等若干着名SCI期刊审稿人,国家自然科学基金通讯评审专家,教育部学位中心通讯评审专家,SCI期刊Rare Metals 青年编委,Frontiers编委。
Email:
周小元
本文通讯作者
重庆大学教授
主要研究领域:新能源材料设计与研发,低温物质磁性、拓扑、磁热电输运性质的研究和应用,高温热电材料的生长、设计及器件研发,纳米材料、单原子光(电)能源催化及其应用,镁基储能电池的正负极和电解液开发及应用。
简介:重庆大学教授,博士生导师,重庆大学分析测试中心主任,重庆大学量子材料与器件中心副主任,国家杰出青年基金项目获得者。主持多个国家自然科学基金等项目。获重庆市科学技术奖自然科学奖一等奖、中国分析测试协会科学技术一等奖、国际热电学会青年科学家奖等9项。近五年来第一/通讯作者发表SCI论文100余篇,包括Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊,在国际热电年会(ICT)、美国材料大会(MRS)、欧洲材料大会(EMRS)、中国材料大会及中国物理年会等学术会议上做特邀报告50余次。
担任中国材料学会、硅酸盐学会等多个学术组织分会理事/委员。兼职Rare Metals及J. Anal. Test.期刊编委, Sci. China Mater.青年编委,Chin. Phys. B客座编委。Nat. Commun. 、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. 等SCI 国际期刊审稿人。组织中国(国际)功能材料科技与产业高层论坛分会、中国材料大会热电分会、量子材料与器件论坛等会议10余次。
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