Natukoy ng Koreanong pangkat ang 459 nm na signal ng depekto sa SiC, hinahamon ang 15 taon ng gabay sa inspeksiyon

104,439 depekto ang naglantad sa maling pagkakakilanlan ng signal

Natukoy ng isang pangkat ng mga mananaliksik sa South Korea ang ibang signal ng liwanag para sa isang depekto sa mga power semiconductor na silicon carbide matapos suriin ang 104,439 stacking fault sa 207 komersiyal na wafer mula sa siyam na supplier. Nagbibigay ang natuklasan ng siyentipikong batayan upang rebisahin ang value ng pagkakakilanlan na kasama sa IEC 63068-3:2020, isang pandaigdigang pamantayang ginagamit sa inspeksiyon ng semiconductor.

Ang depektong ito, na kilala bilang standard (4,1) Frank-type stacking fault, ay naglalabas ng liwanag sa katangiang wavelength na 459 nanometer sa temperatura ng silid. Sa loob ng humigit-kumulang 15 taon, iniuugnay ito sa 424 nanometer, isang value na naisama sa gabay ng International Electrotechnical Commission.

Pinangunahan ni Na Moonkyung, punong mananaliksik sa Next-Generation Semiconductor Research Center ng Korea Electrotechnology Research Institute, ang pag-aaral kasama ang pangkat ni Propesor Hong Soonkoo sa Chungnam National University, HORIBA STEC Korea, SK siltron at iba pang katuwang. Iniugnay ng kanilang pagsisiyasat ang liwanag mula sa mga indibiduwal na depekto sa mga larawan ng aktuwal na pagkakaayos ng mga atomo ng mga ito.

Pinagsasama ng pag-aaral ng pangkat sa Acta Materialia ang mga sukat sa optika, mikroskopiyang nakakakita ng mga estruktura ng atomo, at mga kalkulasyon kung paano kumikilos ang mga electron sa loob ng materyal. Sama-samang tinutukoy ng mga paraang ito ang 459 nanometer bilang katangiang signal ng standard (4,1) fault.

Mas tumpak na inspeksiyon sa mga materyales na ginagamit sa mga de-kuryenteng sasakyan, charger at kagamitang pang-renewable energy ang praktikal na layunin. Kailangang malaman ng mga manufacturer kung aling mga depekto ang nakikita nila bago masubaybayan ang mga sanhi ng mga ito at maiakma ang produksiyon. Nagbibigay ang pananaliksik ng batayan para repasuhin ang gabay sa inspeksiyon; kailangan pa ng karagdagang gawain bago magkaroon ng pormal na pagbabago sa pamantayan ng IEC, paggamit nito sa mga pabrika at mga kasunod na pagpapahusay sa pagiging maaasahan ng mga device.

Bakit mahalaga ang maliit na pagbabago sa pagkakasalansan ng mga atomo

Kapaki-pakinabang ang silicon carbide, na karaniwang pinaikli bilang SiC, sa mga kagamitang kailangang kumontrol ng kuryente habang humahawak ng matataas na boltahe at temperatura. Tumutulong ang mga power semiconductor sa pagpapalit at pag-convert ng kuryente, kabilang na sa mga sistema ng pagpapatakbo ng sasakyan at mga instalasyong pang-renewable energy.

Ang wafer ay manipis na hiwa ng materyal na semiconductor na pinaggagawaan ng mga device. 4H-SiC ang paksa ng pananaliksik, isang anyo ng silicon carbide na sumusunod ang mga atomo sa isang partikular at paulit-ulit na padron ng pagkakasalansan. Ang epitaxial wafer ay may karagdagang kristalinong suson na pinalaki sa ibabaw nito para sa paggawa ng mga device.

Nangyayari ang stacking fault kapag naputol ang regular na ayos na ito. May mga fault na kinasasangkutan ng nawawala o naisingit na mga suson; nabubuo naman ang iba kapag dumudulas ang mga bahagi ng kristal kaugnay ng isa't isa. Maihahalintulad ito sa maingat na pagkakasalansan ng mga de-kulay na papel: nagbabago ang padron sa paligid nito kapag nagdagdag, nagtanggal o nag-usog ng isang papel.

Nakaaapekto ang pagkakaayos ng mga atomo sa galaw at paglalabas ng enerhiya ng mga electron. Dahil dito, maaaring baguhin ng isang depekto kapwa ang elektrikal na asal ng isang device at ang liwanag na inilalabas nito habang iniinspeksiyon. Daglat lamang ng isang partikular na pagkakasunod-sunod ng pagkakasalansan ang katawagang (4,1), hindi ito sukat ng laki ng depekto.

Paano naging mapanlinlang na palatandaan ang liwanag

Sa inspeksiyon gamit ang photoluminescence, o PL, tinatamaan ng liwanag ang isang wafer at sinusukat ang liwanag na bumabalik mula sa materyal. Maaaring lumikha ang mga depekto ng katangiang signal ng emisyon, kaya natutukoy at nauuri ang mga ito ng kagamitan sa inspeksiyon nang hindi binabasag ang wafer.

Sinusukat ng wavelength ang distansiya sa pagitan ng magkakasunod na taluktok ng isang alon ng liwanag. Ang isang nanometer ay isang bilyon bahagi ng isang metro. Mas mahaba nang 35 nanometer ang binagong signal na 459 nanometer kaysa sa dating value na 424 nanometer, o humigit-kumulang 8.3 porsiyento ang diperensiya batay sa naunang pagtatalaga.

Maaaring maglabas ng liwanag ang magkakaibang depekto sa mga atomo sa magkakalapit na wavelength. Kaya kailangan ng sistema ng inspeksiyon ng maaasahang ugnayan sa pagitan ng bawat optical signal at ng estrukturang lumilikha nito. Kapag mali ang ugnayan, maaaring makakita ng tunay na depekto ang kagamitan pero mali ang maibigay nitong pangalan.

Naging tanggap ang naunang pagtatalaga ng 424 nanometer nang walang kaparehong tuwirang pagtutugma ng mga optical signal at estruktura ng mga atomo na ginamit sa bagong pagsisiyasat. Tinugunan ng mga mananaliksik ang problemang ito sa pamamagitan ng pagbabalik sa mismong mga lokasyong sinukat ang liwanag.

Mula sa buong wafer tungo sa mga indibiduwal na suson ng atomo

Nagsimula ang pangkat sa malawakang pagsusuri sa 207 komersiyal na wafer. Nagbigay ang koleksiyong ito ng pananaw mula sa siyam na supplier, sa halip na maliit na bahagi lamang ng iisang sample para sa pananaliksik. Namukod-tangi ang Frank-type stacking fault bilang mahalagang pangkat ng mga depekto sa komersiyal na materyal.

Pagkatapos, pumili ang mga mananaliksik ng mga indibiduwal na depekto para masusing suriin. Matapos itala ang mga lokasyon at wavelength ng emisyon ng mga ito gamit ang mga sukat ng PL, gumamit sila ng focused ion beam upang maghanda ng napakaninipis na sample mula sa parehong mga lokasyon. Sa kabuuan ng pagsisiyasat, sinuri nila ang 176 specimen na naglalaman ng Frank-type, Shockley-type at iba pang estruktura ng stacking fault.

Ipinakita ng isang makabagong teknik sa electron microscopy na pinaikli bilang HAADF HR-STEM ang pagkakaayos ng mga atomo. Ang buong pangalan nito ay high-angle annular dark-field high-resolution scanning transmission electron microscopy. Sa madaling salita, ipinadaraan nito ang mga electron sa napakanipis na sample at ginagamit ang mga nakakalat na electron upang bumuo ng larawang sapat ang detalye para maiba-iba ang mga hanay ng atomo.

Kasama sa nakatuong pagsisiyasat ang siyam na magkakahiwalay na depektong naglalabas ng liwanag sa 459 nanometer. Kinumpirma ng mga mananaliksik ang aktuwal na estrukturang (4,1) ng mga atomo sa anim sa mga ito. Nagbigay ng pundasyong eksperimental para sa binagong pagtatalaga ang tuwirang ugnayan sa pagitan ng sinukat na signal ng liwanag at ng nakikitang ayos ng pagkakasalansan.

Ganito inilarawan ni Na, punong mananaliksik ng KERI na nanguna sa proyekto, ang kahalagahan ng pag-uugnay sa dalawang sukat:

Mahalagang naitama namin ang isang pagkakamali sa pandaigdigang pamantayan sa pagkakakilanlan na matagal nang tinatanggap, sa pamamagitan ng tuwirang pag-uugnay sa mga signal ng liwanag at aktuwal na mga estruktura ng atomo.

Natuklasan ng mga kalkulasyon sa supercomputer

Gumamit din ang mga mananaliksik ng density functional theory, o DFT, upang kalkulahin ang mga katangian ng mga depekto. Paraan ang DFT sa pagtantiya kung paano kumikilos ang mga electron sa isang materyal; nakatutulong ito sa mga mananaliksik na iugnay ang pagkakaayos ng mga atomo sa mga antas ng enerhiya at posibleng mga optical signal.

Inilagay ng tatlong pamamaraan ng teoretikal na kalkulasyon ang kaugnay na emisyon sa humigit-kumulang 444 hanggang 450 nanometer. 459 nanometer ang sinukat na wavelength sa temperatura ng silid. Samakatuwid, pumabor ang mga kalkulasyon sa emisyong malapit sa 450 nanometer sa halip na sa matagal nang pagtatalagang 424 nanometer, bagaman may agwat pa rin ito sa sukat sa laboratoryo.

Pagsama-samahin sa papel ang mga kalkulasyong ito at ang mikroskopya at PL spectroscopy, na sumusukat kung gaano kalakas maglabas ng liwanag ang isang materyal sa iba't ibang wavelength. Ang eksperimental na sukat ang nagbibigay ng value na 459 nanometer para sa inspeksiyon, samantalang isa pang paraan ang mga kalkulasyon upang suriin ang ugnayan ng estruktura at liwanag.

Inihahambing din ng mas malawak na mga kalkulasyon ang enerhiya ng mga stacking fault at ang mga electronic band structure. Inilalarawan ng enerhiya ng fault ang halaga ng enerhiya ng isang partikular na pagkaantala sa kristal. Inilalarawan naman ng electronic band structure ang mga enerhiyang maaaring kinaroroonan ng mga electron, na tumutulong magpaliwanag kung bakit magkakaiba ang optical behavior ng mga depekto.

Naghain na ng hamon sa lumang pagtatalaga ang pag-aaral noong 2024

Sinuri rin ng naunang pag-aaral sa inspeksiyon ng wafer, na inilathala noong Hunyo 1, 2024 sa Materials Science in Semiconductor Processing, ang humigit-kumulang 50,000 stacking fault sa 70 komersiyal na wafer. Pinagtambal din nito ang mga optical na sukat at tuwirang pagsusuri sa piling mga estruktura ng atomo.

Natuklasan sa pagsisiyasat na iyon ang nag-iisang Shockley-type (3,1) stacking fault sa 424 nanometer, ang wavelength na dating iniuugnay sa Frank-type (4,1) na depekto. Naghahanap ang mga mananaliksik ng mga depektong naglalabas ng liwanag sa pagitan ng 420 at 430 nanometer, ngunit hindi nila nakita roon ang inaasahang estrukturang (4,1).

Muli ring itinalaga sa pag-aaral noong 2024 ang katangiang signal ng intrinsic Frank-type (5,2) fault bilang 482 hanggang 484 nanometer, sa halip na ang dating iniulat na 488 nanometer. Karamihan sa mga estrukturang sinuri sa saklaw na iyon ay (5,2) fault sa halip na triple Shockley-type (5,3) fault na ipinahiwatig ng mga naunang pagtatalaga ng wavelength. Walang (5,3) fault na nakita sa pagsusuring iyon.

Naging mas madaling pag-ibahin ang iba pang signal na malapit dito: sinukat sa pag-aaral ang multilayer Frank-type (4,2) fault sa 457 nanometer at quadruple Shockley-type (4,4) fault sa 462 nanometer. Nakatulong ang tumpak na pagkakalibrate at tuwirang pagsusuri sa estruktura upang mapag-iba ang mga depektong ilang nanometer lamang ang pagitan ng mga signal ng liwanag.

Halos tatlong ulit na mas maraming wafer ang saklaw ng mas bagong pagsusuri, 207 kumpara sa 70, at mahigit dalawang ulit naman ang naitalang fault, 104,439 kumpara sa humigit-kumulang 50,000. Tiyak din ang naging ambag nito: matapos mabigong makita sa naunang paghahanap ang inaasahang estrukturang (4,1) malapit sa 424 nanometer, iniugnay ito ng mas bagong pagsisiyasat sa 459 nanometer.

Binabago rin ng papel ang pag-uuri sa mga fault

Hindi lamang pagpapalit ng isang wavelength ang ginagawa ng papel sa Acta Materialia. Muling sinusuri nito kung paano inuuri ang Frank-type stacking fault bilang intrinsic o extrinsic, mga katawagang naglalarawan sa kaugnayan ng mga ito sa nakapaligid na estruktura ng kristal.

Gamit ang orihinal na depinisyong kristalograpiko ni Frank, inuuri ng mga may-akda bilang intrinsic ang malawak na tinatalakay na (3,2) fault kahit na may pagsisingit sa pagbuo nito. Nakabatay ang pag-uuri sa resultang ayos ng kristal, samantalang inilalarawan ng proseso ng pagbuo kung paano nabuo ang ayos na iyon.

Ipinakikita rin ng mga obserbasyon sa mga atomo ang mga ugnayang estruktural sa pagitan ng standard (5,2), (4,2) at (4,1) fault. Sinusuportahan ng mga obserbasyong ito ang isang posibleng paraan kung paano maaaring magbago ang mga estruktura mula sa isa tungo sa isa pa. Makakatulong ang pag-unawa sa mga ugnayang ito sa mga mananaliksik na siyasatin kung bakit lumilitaw ang isang partikular na depekto habang pinatubo o pinoproseso ang materyal.

Natuklasan ng mga may-akda na maaaring tumukoy ang magkaparehong Zhdanov notation, ang mga numerong etiketa para ilarawan ang mga pagkakasunod-sunod ng pagkakasalansan, sa intrinsic o extrinsic na ayos sa mga nonstandard na fault. Kaya kailangan ang pagkakaayos ng nakapaligid na kristal upang mabigyang-kahulugan ang etiketa.

Tinutukoy ng mga kalkulasyon ang iba pang pagkakaiba sa mga fault na (1,1) at (2,1). Kahawig ng anyong 2H ng silicon carbide ang mga katangiang elektroniko ng mga ito, samantalang kahawig naman ng anyong kubiko na 3C ang mga estadong ipinakikita ng karamihan sa mga sinuring fault. Iniuugnay ng mga resultang ito ang gawain sa pag-uuri sa mas malawak na paliwanag ng papel kung paano binabago ng pagkakasalansan ng mga atomo ang asal elektroniko at optikal.

Paglalathala, pagkilala at susunod na praktikal na hakbang

Inanunsiyo ang pananaliksik noong Oktubre 2026. Sa mga ulat tungkol sa anunsiyo ng KERI, Oktubre 23 at Oktubre 25 ang binanggit na petsa nito. Iniulat na inilathala ang pag-aaral noong Setyembre 8, habang itinakda naman ng Acta Materialia sa Disyembre 1, 2026 ang petsa ng volume 321, artikulo 122747, kung saan ito kabilang.

Inilalagay ng mga pangunahing yugto ang pinakahuling natuklasan sa loob ng pagsisikap sa pananaliksik na mahigit dalawang taon na:

• Hunyo 1, 2024: Sinuri sa naunang pag-aaral ang humigit-kumulang 50,000 fault sa 70 wafer at hinamon ang ilang tinatanggap na pagtatalaga ng wavelength.
• Setyembre 8, 2026: Iniulat na nailathala ang mas bagong pag-aaral sa Acta Materialia, na nag-uugnay sa standard (4,1) fault sa 459 nanometer.
• Oktubre 2026: Inanunsiyo ng KERI ang mga natuklasan mula sa mas malawak na pagsisiyasat sa 207 wafer at 104,439 fault.
• Disyembre 1, 2026: Petsa ng volume ng Acta Materialia na kinalalagyan ng papel.

Sinuportahan ang proyekto ng Compound Power Semiconductor Advancement Technology Development Project ng Ministry of Trade, Industry and Energy. Tinanggap ang papel nang walang kahilingang rebisyon at inilathala ito sa isang journal na kabilang umano sa nangungunang 5 porsiyento ng larangan nito ayon sa Journal Citation Reports.

Ginawaran din si Na ng Honorable Mention sa 2026 HORIBA Masao Award para sa pananaliksik sa pagsusuri ng depekto sa SiC. Ayon sa KERI, ito ang unang pagkilala sa mga parangal para sa isang mananaliksik na kabilang sa institusyong pananaliksik sa Korea mula nang magsimula ang mga parangal noong 2004.

Para sa mga manufacturer, ang agarang gawain ay suriin kung paano isasama ang binagong pagkakakilanlan sa kasalukuyang mga pamamaraan ng inspeksiyon. Makakatulong ang mas mahusay na pag-uuri sa mga inhinyero na matunton ang mga depekto sa mga kondisyon ng pagpapalago o pagproseso at makapagpasya kung aling mga pagbabago ang susubukan. Layunin nitong gawing mas tumpak ang landas mula sa pagtuklas ng depekto tungo sa pag-unawa at pagkontrol sa sanhi nito.

Mahahalagang Punto

• Naglalabas ng liwanag ang standard (4,1) Frank-type stacking fault sa 4H-SiC sa 459 nanometer sa temperatura ng silid, sa halip na sa matagal nang itinatalagang 424 nanometer.
• Saklaw ng pagsisiyasat ang 104,439 stacking fault sa 207 komersiyal na wafer mula sa siyam na supplier.
• Sinuri ng mga mananaliksik ang 176 napakaninipis na specimen at kinumpirma ang estrukturang (4,1) sa anim sa siyam na tinarget na depektong naglalabas ng liwanag sa 459 nanometer.
• Tinataya ng mga kalkulasyon na nasa humigit-kumulang 444 hanggang 450 nanometer ang emisyon, na sumusuporta sa signal na malapit sa 450 nanometer.
• Natukoy na sa pag-aaral noong 2024 ang ibang depekto, ang nag-iisang Shockley-type (3,1) fault, sa 424 nanometer.
• Nagbibigay ang mga natuklasan ng siyentipikong batayan upang repasuhin ang gabay sa inspeksiyon ng IEC at paghusayin ang pag-uuri sa mga depekto.
• Ginawaran si Na Moonkyung ng Honorable Mention sa 2026 HORIBA Masao Award.