Pasukan Korea Temui Isyarat 459 nm bagi Kecacatan SiC, Mencabar Panduan Pemeriksaan yang Digunakan Selama 15 Tahun

104,439 kecacatan membantu mendedahkan isyarat pengenalpastian yang tersilap

Satu pasukan penyelidik Korea Selatan mengenal pasti isyarat cahaya yang berbeza bagi kecacatan dalam semikonduktor kuasa silikon karbida selepas memeriksa 104,439 kecacatan susunan tindanan merentasi 207 wafer komersial daripada sembilan pembekal. Penemuan itu menyediakan asas saintifik untuk menyemak nilai pengenalpastian yang terkandung dalam IEC 63068-3:2020, piawaian antarabangsa yang digunakan dalam pemeriksaan semikonduktor.

Kecacatan itu, yang dikenali sebagai kecacatan susunan tindanan jenis Frank standard (4,1), memancarkan cahaya pada panjang gelombang ciri 459 nanometer pada suhu bilik. Selama kira-kira 15 tahun, kecacatan itu dikaitkan dengan panjang gelombang 424 nanometer, nilai yang dimasukkan dalam panduan Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa.

Na Moonkyung, penyelidik utama di Pusat Penyelidikan Semikonduktor Generasi Seterusnya, Institut Penyelidikan Teknologi Elektroteknik Korea, mengetuai kajian itu bersama pasukan Profesor Hong Soonkoo di Universiti Kebangsaan Chungnam, HORIBA STEC Korea, SK siltron dan rakan usaha sama lain. Kajian mereka menghubungkan cahaya daripada kecacatan individu dengan imej susunan atom sebenar kecacatan tersebut.

Kajian Acta Materialia pasukan itu menggabungkan pengukuran optik, mikroskopi yang mampu memperlihatkan struktur atom dan pengiraan tentang tingkah laku elektron dalam bahan tersebut. Secara bersama, kaedah itu mengenal pasti 459 nanometer sebagai isyarat ciri bagi kecacatan (4,1) standard.

Matlamat praktikalnya ialah pemeriksaan yang lebih tepat terhadap bahan yang digunakan dalam kenderaan elektrik, pengecas dan peralatan tenaga boleh baharu. Pengilang perlu mengetahui jenis kecacatan yang mereka lihat sebelum dapat menjejaki puncanya dan melaraskan pengeluaran. Penyelidikan ini menyediakan asas untuk menyemak panduan pemeriksaan; perubahan rasmi kepada piawaian IEC, penerapan di kilang dan peningkatan kebolehpercayaan peranti yang terhasil masih memerlukan usaha lanjut.

Mengapa perubahan kecil pada susunan atom penting

Silikon karbida, yang biasanya disingkatkan sebagai SiC, berguna dalam peralatan yang perlu mengawal elektrik sambil mengendalikan voltan dan suhu tinggi. Semikonduktor kuasa membantu menukar dan menyalurkan kuasa elektrik, termasuk dalam sistem pacuan kenderaan dan pemasangan tenaga boleh baharu.

Wafer ialah kepingan nipis bahan semikonduktor yang digunakan untuk membuat peranti. Penyelidikan ini mengkaji 4H-SiC, sejenis silikon karbida yang atomnya mengikut corak susunan tindanan berulang tertentu. Wafer epitaksi mempunyai lapisan kristal tambahan yang ditumbuhkan pada permukaannya untuk membuat peranti.

Kecacatan susunan tindanan berlaku apabila susunan yang teratur itu terganggu. Ada yang melibatkan lapisan yang hilang atau tersisip; yang lain terbentuk apabila bahagian kristal bergelongsor antara satu sama lain. Perbandingan mudahnya ialah susunan kepingan berwarna yang disusun rapi: menambah, membuang atau mengalihkan sekeping akan mengubah corak di sekelilingnya.

Susunan atom mempengaruhi pergerakan elektron dan cara elektron membebaskan tenaga. Oleh itu, kecacatan boleh mengubah tingkah laku elektrik peranti dan cahaya yang dipancarkan semasa pemeriksaan. Penamaan (4,1) ialah singkatan bagi urutan susunan tindanan tertentu, bukannya ukuran saiz kecacatan.

Bagaimana cahaya menjadi cap pengenalan yang mengelirukan

Pemeriksaan fotopendarcahayaan, atau PL, menyinari wafer dengan cahaya dan mengukur cahaya yang dipantulkan oleh bahan tersebut. Kecacatan boleh menghasilkan isyarat pancaran ciri, yang membolehkan peralatan pemeriksaan mengesan dan mengelaskannya tanpa merosakkan wafer.

Panjang gelombang mengukur jarak antara puncak berturutan gelombang cahaya. Satu nanometer ialah satu per bilion meter. Isyarat yang disemak semula, 459 nanometer, 35 nanometer lebih panjang daripada nilai lama 424 nanometer, iaitu perbezaan kira-kira 8.3 peratus berbanding nilai yang ditetapkan sebelum ini.

Kecacatan atom yang berbeza boleh memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang hampir sama. Oleh itu, sistem pemeriksaan memerlukan kaitan yang boleh dipercayai antara setiap isyarat optik dengan struktur yang menghasilkannya. Jika kaitan itu salah, peralatan mungkin mengesan kecacatan sebenar tetapi memberikannya nama yang salah.

Penetapan 424 nanometer sebelum ini diterima pakai tanpa padanan langsung antara isyarat optik dengan struktur atom seperti yang dilakukan dalam kajian baharu ini. Para penyelidik menangani masalah itu dengan kembali ke lokasi tepat tempat cahaya diukur.

Daripada seluruh wafer kepada lapisan atom individu

Pasukan itu memulakan kajian dengan tinjauan menyeluruh terhadap 207 wafer komersial. Himpunan itu memberikan gambaran merentasi sembilan pembekal, bukan hanya kawasan kecil daripada satu sampel penyelidikan. Kecacatan susunan tindanan jenis Frank muncul sebagai kumpulan kecacatan penting dalam bahan komersial tersebut.

Para penyelidik kemudian memilih kecacatan individu untuk diperiksa dengan lebih teliti. Selepas merekodkan kedudukan dan panjang gelombang pancarannya melalui pengukuran PL, mereka menggunakan alur ion terfokus untuk menyediakan sampel yang amat nipis daripada lokasi yang sama. Sepanjang kajian itu, mereka memeriksa 176 spesimen yang mengandungi struktur kecacatan susunan tindanan jenis Frank, jenis Shockley dan jenis lain.

Teknik mikroskopi elektron canggih, yang disingkatkan sebagai HAADF HR-STEM, mendedahkan susunan atom. Nama penuhnya ialah mikroskopi elektron penghantaran imbasan resolusi tinggi medan gelap anulus sudut tinggi. Secara ringkas, teknik ini menghantar elektron menembusi sampel yang sangat nipis dan menggunakan elektron yang terserak untuk membina imej yang cukup terperinci bagi membezakan turus atom.

Pemeriksaan terarah itu merangkumi sembilan kecacatan berasingan yang memancarkan cahaya pada 459 nanometer. Para penyelidik mengesahkan struktur atom (4,1) sebenar dalam enam daripadanya. Hubungan langsung antara isyarat cahaya yang diukur dengan susunan tindanan yang kelihatan ini menjadi asas eksperimen bagi penetapan nilai yang disemak semula.

Na, penyelidik utama KERI yang mengetuai projek itu, menjelaskan kepentingan menghubungkan kedua-dua pengukuran tersebut:

Pencapaian ini penting kerana kami membetulkan kesilapan dalam piawaian pengenalpastian global yang telah lama diterima dengan menghubungkan isyarat cahaya secara langsung kepada struktur atom sebenar.

Hasil pengiraan superkomputer

Para penyelidik turut menggunakan teori fungsi ketumpatan, atau DFT, untuk mengira sifat kecacatan tersebut. DFT ialah kaedah untuk menganggarkan tingkah laku elektron dalam bahan, yang membantu penyelidik menghubungkan susunan atom dengan aras tenaganya serta isyarat optik yang mungkin terhasil.

Tiga pendekatan pengiraan teori meletakkan pancaran berkaitan pada kira-kira 444 hingga 450 nanometer. Panjang gelombang yang diukur pada suhu bilik ialah 459 nanometer. Oleh itu, pengiraan lebih menyokong pancaran berhampiran 450 nanometer berbanding penetapan lama 424 nanometer, meskipun masih terdapat jurang angka daripada pengukuran makmal.

Makalah itu menggabungkan pengiraan ini dengan mikroskopi dan spektroskopi PL, yang mengukur kekuatan pancaran bahan pada panjang gelombang yang berbeza. Pengukuran eksperimen memberikan nilai pemeriksaan 459 nanometer, manakala pengiraan menyediakan cara lain untuk meneliti hubungan antara struktur dengan cahaya.

Pengiraan yang lebih luas turut membandingkan tenaga kecacatan susunan tindanan dan struktur jalur elektronik. Tenaga kecacatan menggambarkan kos tenaga bagi gangguan tertentu dalam kristal. Struktur jalur elektronik menggambarkan tenaga yang boleh diduduki elektron, sekali gus membantu menjelaskan sebab kecacatan yang berbeza menunjukkan tingkah laku optik yang berlainan.

Kajian 2024 telah pun mencabar peta lama

Satu kajian pemeriksaan wafer terdahulu yang diterbitkan pada 1 Jun 2024 dalam Materials Science in Semiconductor Processing, memeriksa kira-kira 50,000 kecacatan susunan tindanan merentasi 70 wafer komersial. Kajian itu juga memadankan pengukuran optik dengan pemeriksaan langsung terhadap struktur atom terpilih.

Kajian itu menemui satu kecacatan susunan tindanan jenis Shockley (3,1) pada 424 nanometer, iaitu panjang gelombang yang sebelum ini dikaitkan dengan kecacatan Frank jenis (4,1). Para penyelidik mencari kecacatan yang memancarkan cahaya antara 420 dengan 430 nanometer tetapi tidak menemui struktur (4,1) yang dijangka di situ.

Kajian 2024 itu turut menetapkan semula isyarat ciri bagi kecacatan Frank intrinsik jenis (5,2) kepada 482 hingga 484 nanometer, bukannya 488 nanometer seperti yang dilaporkan sebelum ini. Struktur yang diperiksa dalam julat itu kebanyakannya ialah kecacatan (5,2), bukannya kecacatan Shockley tiga lapis jenis (5,3) seperti yang disiratkan oleh penetapan panjang gelombang terdahulu. Tiada kecacatan (5,3) ditemui dalam tinjauan tersebut.

Isyarat lain yang hampir dengannya juga lebih mudah dibezakan: kajian itu mengukur kecacatan Frank berbilang lapis jenis (4,2) pada 457 nanometer dan kecacatan Shockley empat lapis jenis (4,4) pada 462 nanometer. Penentukuran tepat dan pemeriksaan struktur secara langsung membantu membezakan kecacatan yang isyarat cahayanya hanya berbeza beberapa nanometer.

Tinjauan yang lebih baharu meliputi hampir tiga kali ganda bilangan wafer, iaitu 207 berbanding 70, serta sedikit lebih dua kali ganda bilangan kecacatan yang direkodkan, iaitu 104,439 berbanding kira-kira 50,000. Kemajuannya juga khusus: selepas carian terdahulu gagal menemukan struktur (4,1) yang dijangka berhampiran 424 nanometer, kajian baharu menghubungkannya dengan 459 nanometer.

Makalah itu turut menyemak cara kecacatan dikelaskan

Makalah Acta Materialia itu bukan sekadar menggantikan satu panjang gelombang. Makalah tersebut menilai semula cara kecacatan susunan tindanan jenis Frank dikelaskan sebagai intrinsik atau ekstrinsik, iaitu istilah yang menerangkan hubungannya dengan struktur kristal di sekelilingnya.

Dengan menggunakan takrif kristalografi asal Frank, penulis mengelaskan kecacatan (3,2) yang banyak dibincangkan sebagai intrinsik, walaupun pembentukannya melibatkan sisipan. Pengelasan itu bergantung pada susunan kristal yang terhasil, manakala proses pembentukan menerangkan bagaimana susunan itu terbentuk.

Pemerhatian atom turut menunjukkan kaitan struktur antara kecacatan standard (5,2), (4,2) dan (4,1). Pemerhatian ini menyokong satu kemungkinan laluan perubahan struktur tersebut daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain. Memahami kaitan sedemikian boleh membantu penyelidik mengkaji sebab kecacatan tertentu muncul semasa pertumbuhan atau pemprosesan bahan.

Para penulis mendapati bahawa notasi Zhdanov yang sama, iaitu label angka yang digunakan untuk menerangkan urutan susunan tindanan, boleh merujuk kepada konfigurasi intrinsik atau ekstrinsik dalam kalangan kecacatan bukan standard. Oleh itu, susunan kristal di sekelilingnya perlu diambil kira untuk mentafsir label tersebut.

Pengiraan turut mengenal pasti perbezaan lanjut pada kecacatan (1,1) dan (2,1). Ciri elektroniknya menyerupai bentuk 2H silikon karbida, manakala kebanyakan kecacatan yang dikaji menunjukkan keadaan yang menyerupai bentuk kubik 3C. Hasil ini menghubungkan kerja pengelasan dengan penjelasan lebih luas dalam makalah itu tentang bagaimana perubahan susunan atom mempengaruhi tingkah laku elektronik dan optik.

Penerbitan, pengiktirafan dan langkah praktikal seterusnya

Penyelidikan itu diumumkan pada Oktober 2026. Laporan mengenai pengumuman KERI menyatakan 23 Oktober dan 25 Oktober sebagai tarikh pengumuman. Kajian itu dilaporkan diterbitkan pada 8 September, manakala Acta Materialia menyenaraikannya dalam jilid 321, artikel 122747, bertarikh 1 Disember 2026.

Pencapaian utama ini meletakkan penemuan terkini dalam konteks usaha penyelidikan yang berlangsung lebih daripada dua tahun:

• 1 Jun 2024: Kajian terdahulu memeriksa kira-kira 50,000 kecacatan merentasi 70 wafer dan mencabar beberapa penetapan panjang gelombang yang diterima.
• 8 September 2026: Kajian Acta Materialia yang lebih baharu dilaporkan diterbitkan, menghubungkan kecacatan (4,1) standard dengan 459 nanometer.
• Oktober 2026: KERI mengumumkan penemuan daripada kajian lebih luas yang melibatkan 207 wafer dan 104,439 kecacatan.
• 1 Disember 2026: Tarikh yang ditetapkan bagi jilid Acta Materialia yang memuatkan makalah tersebut.

Projek itu menerima sokongan daripada Projek Pembangunan Teknologi Pemajuan Semikonduktor Kuasa Kompaun Kementerian Perdagangan, Industri dan Tenaga. Makalah itu diterima tanpa permintaan untuk pindaan dan diterbitkan dalam jurnal yang disifatkan berada dalam kelompok 5 peratus teratas bidangnya menurut Journal Citation Reports.

Na turut menerima Sebutan Khas dalam Anugerah HORIBA Masao 2026 atas penyelidikan mengenai analisis kecacatan SiC. Menurut KERI, ini merupakan pengiktirafan pertama dalam anugerah itu kepada penyelidik yang bernaung di institusi penyelidikan Korea sejak anugerah tersebut bermula pada 2004.

Bagi pengilang, tugas segera adalah menilai kesesuaian pengenalpastian yang disemak semula ini dengan prosedur pemeriksaan sedia ada. Pengelasan yang lebih baik dapat membantu jurutera menjejaki kecacatan kepada keadaan pertumbuhan atau pemprosesan serta menentukan perubahan yang perlu diuji. Manfaat yang disasarkan ialah laluan yang lebih tepat daripada pengesanan kecacatan kepada pemahaman dan kawalan terhadap puncanya.

Perkara Utama

• Kecacatan susunan tindanan jenis Frank standard (4,1) dalam 4H-SiC memancarkan cahaya pada 459 nanometer pada suhu bilik, bukannya 424 nanometer seperti yang ditetapkan selama ini.
• Kajian itu meliputi 104,439 kecacatan susunan tindanan dalam 207 wafer komersial daripada sembilan pembekal.
• Para penyelidik memeriksa 176 spesimen ultranipis dan mengesahkan struktur (4,1) dalam enam daripada sembilan kecacatan sasaran yang memancarkan cahaya pada 459 nanometer.
• Pengiraan menganggarkan pancaran pada kira-kira 444 hingga 450 nanometer, menyokong isyarat berhampiran 450 nanometer.
• Kajian 2024 telah pun mengenal pasti kecacatan lain, iaitu satu kecacatan Shockley (3,1), pada 424 nanometer.
• Penemuan itu menyediakan asas saintifik untuk menyemak panduan pemeriksaan IEC dan menambah baik pengelasan kecacatan.
• Na Moonkyung menerima Sebutan Khas dalam Anugerah HORIBA Masao 2026.