近日，我室杜江峰、尹春明与澳大利亚新南威尔士大学Sven Rogge等合作，利用单个稀土离子作为原子传感器，实现纳米晶体管内部电场和晶格应变的精密检测，测量精度相对半导体行业标准方法提高约两个数量级，研究成果以“Single rare-earth ions as atomic-scale probes in ultra-scaled transistors”在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）上。

半导体器件的不断集成化，是信息技术革命的重要推动力。随着器件尺寸不断接近物理极限，其性能越来越受内部微观环境因素的影响，例如纳米晶体管沟道内部的电场及应变分布。尤其在集成电路拓展至10纳米以下制程，产热成为限制芯片时钟频率的显著瓶颈，对器件施加应力从而提升其导电性能的“应变工程”已经成为当前半导体制程最常用的驱动技术之一。了解晶体管内部的电场及应变分布，对优化制程工艺、提升器件的电子学性能极为关键。

然而半导体制程中存在许多随机误差，晶体管尺寸越小，工艺随机误差带来的不确定度就越大。单纯依靠有限元分析预测晶体管性能变得越来越困难，研发在纳米尺度下实现晶体管三维表征的新技术也就变得越来越迫切。目前半导体行业采用的X射线衍射、拉曼光谱等方法，空间分辨率只能达到数十至数百纳米，难以满足10 纳米以下制程器件表征的要求；透射电镜方法可以实现2 纳米空间分辨率，然而却限于二维投影，并且需要破坏性地将样品打磨至百纳米厚度。

在本项工作中，研究人员独辟蹊径，提出采用晶体管内部掺杂的稀土离子（铒，Er）作为原子传感器。铒离子的光学跃迁会受晶体管中电场和晶格应变的影响，产生谱峰的移动。基于前期开发的硅基单原子光电结合探测的实验手段[Nature 497, 91(2013)]，该工作研究了不同电场和应力条件下，单个铒离子的光谱位移。得益于单个铒离子极细的光谱线宽（30 MHz）及其光谱对电场和晶格应变的敏感响应，研究人员首次观测到了单个稀土离子的Stark效应，并且探测到小于3×10^-6的微小晶格应变，相对已有方法10^-3到10^-4的测量精度，实现了约两个数量级的提升。

该工作为半导体先进制程提供了全新的灵敏检测方法，原子传感器天然具备对亚纳米尺度局域环境的传感能力，未来配合梯度场成像实现空间定位，可以实现对晶体管进行纳米级高空间分辨率的三维超精密检测，解决当前晶体管工艺的关键测试盲点。

中科院微观磁共振重点实验室特任副研究员张琪和新南威尔士大学博士生胡光冲为该文共同第一作者，尹春明教授为通讯作者。上述研究得到了科技部、安徽省和中国博士后科学基金会的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.9b01281

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）