104,439个缺陷揭示了错误的识别信号
韩国研究团队对来自9家供应商的207片商用晶圆进行了检查，共分析104,439个层错，并据此识别出碳化硅功率半导体中一种缺陷的不同光信号。这项发现为修订IEC 63068-3:2020中的一项识别值提供了科学依据。该标准是半导体检测领域使用的国际标准。
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这种缺陷称为标准型（4,1）弗兰克层错，在室温下会发出特征波长为459纳米的光。约15年来，人们一直认为其波长为424纳米，这一数值后来被纳入国际电工委员会的指导文件。
韩国电气研究院下一代半导体研究中心首席研究员Na Moonkyung与忠南国立大学Hong Soonkoo教授团队、HORIBA STEC Korea、SK siltron及其他合作者共同开展了这项研究。他们将单个缺陷发出的光与其实际原子排列的图像联系起来。
该团队发表于《Acta Materialia》的研究结合了光学测量、可显示原子结构的显微成像，以及对材料内部电子行为的计算。这些方法共同确认，459纳米是标准型（4,1）层错的特征信号。
这项研究的实际目标，是更准确地检测电动汽车、充电器和可再生能源设备所用材料。制造商必须先弄清检测到的是哪种缺陷，才能追溯其成因并调整生产工艺。这项研究为审查检测指南提供了依据；但要正式修订IEC标准、在工厂中采用相关方法并由此提升器件可靠性，仍需进一步工作。
原子堆垛的微小变化为何重要
碳化硅通常简称SiC，适用于需要在高电压和高温条件下控制电力的设备。功率半导体负责开关和转换电能，应用领域包括汽车驱动系统和可再生能源设施。
晶圆是用于制造器件的半导体材料薄片。这项研究关注的是4H-SiC，这种碳化硅的原子按照特定的重复堆垛模式排列。外延晶圆则是在表面生长了额外晶体层、用于制造器件的晶圆。
当这种规则排列受到干扰时，就会出现层错。有些层错由层片缺失或插入造成；另一些则是晶体部分区域相对滑移形成的。可以把它比作一叠按顺序整齐排列的彩色薄片：添加、移除或移动一片，都会改变周围的排列模式。
原子排列会影响电子的运动和能量释放。因此，缺陷既可能改变器件的电学特性，也可能改变检测时发出的光。（4,1）是对特定堆垛序列的简写，并非对缺陷尺寸的测量。
光信号为何会成为误导性“指纹”
光致发光（PL）检测会用光照射晶圆，并测量材料发出的返回光。缺陷可能产生特征发射信号，检测设备据此可以定位并分类缺陷，而不必破坏晶圆。
波长是光波相邻波峰之间的距离。1纳米等于十亿分之一米。修订后的信号为459纳米，比原先的424纳米长35纳米；相对于此前的认定值，差异约为8.3%。
不同原子缺陷可能发出波长相近的光。因此，检测系统需要可靠地将每种光信号与产生它的结构对应起来。如果对应关系有误，设备可能确实检测到了缺陷，却给它贴上错误的名称。
此前将该缺陷认定为424纳米，并未像这项新研究那样，直接匹配光信号与原子结构。这些研究人员通过重新检查测得光信号的确切位置，解决了这一问题。
从整片晶圆到单个原子层
团队首先对207片商用晶圆开展了大范围调查。相比只研究一份小型样品，这批材料涵盖9家供应商，视野更广。研究发现，弗兰克型层错是商用材料中一类重要缺陷。
随后，研究人员挑选单个缺陷进行深入检查。他们先用PL测量记录缺陷的位置和发射波长，再用聚焦离子束从相同位置制备极薄样品。在整个调查中，他们检查了176个样品，其中包含弗兰克型、肖克利型及其他层错结构。
研究人员采用一种先进的电子显微技术，简称HAADF HR-STEM，观察原子排列。其全称是高角环形暗场高分辨率扫描透射电子显微镜。简单来说，这种技术让电子穿过极薄的样品，再利用散射电子构建图像，细致到能够分辨原子柱。
针对性调查纳入了9个发射波长为459纳米的独立缺陷。研究人员在其中6个缺陷中确认了实际的（4,1）原子结构。实测光信号与可见堆垛排列之间的直接对应关系，为修订后的认定提供了实验依据。
领导该项目的韩国电气研究院首席研究员Na谈到了将两种测量联系起来的重要性：
我们通过将光信号与实际原子结构直接对应，纠正了一个长期以来被接受的全球识别标准中的错误，这具有重要意义。
超级计算机计算发现了什么
研究人员还使用密度泛函理论（DFT）计算缺陷的性质。DFT是一种估算材料中电子行为的方法，有助于研究人员将原子排列与能级及可能产生的光学信号联系起来。
三种理论计算方法得出的相关发射波长约为444至450纳米。室温下的实测波长为459纳米。因此，计算结果更支持接近450纳米的发射，而非沿用已久的424纳米认定值，但计算结果与实验室测量之间仍存在数值差异。
论文将这些计算结果与显微成像及PL光谱结合起来。PL光谱用于测量材料在不同波长下的发光强度。实验测量给出了459纳米这一检测值，而计算则提供了另一种考察结构与光信号之间联系的方式。
更广泛的计算还比较了层错能和电子能带结构。层错能描述晶体中形成特定排列中断所需的能量。电子能带结构描述电子可以占据的能级，有助于解释不同缺陷为何表现出不同的光学特性。
2024年的研究已对旧有认知提出质疑
此前一项发表于2024年6月1日的晶圆检测研究刊登在《Materials Science in Semiconductor Processing》上，检查了70片商用晶圆中的约50,000个层错。该研究也将光学测量与对选定原子结构的直接检查结合起来。
这项研究在波长424纳米处发现了一个单一的肖克利型（3,1）层错；此前，这一波长被认为对应弗兰克型（4,1）缺陷。研究人员搜索了发射波长在420至430纳米之间的缺陷，却没有在该范围内观察到预期的（4,1）结构。
2024年的研究还将本征弗兰克型（5,2）层错的特征信号重新认定为482至484纳米，而非此前报告的488纳米。在这一波长范围内检查的结构主要是（5,2）层错，而不是先前波长认定所暗示的三重肖克利型（5,3）层错。该调查中没有观察到（5,3）层错。
其他相近信号也更容易区分：研究测得多层弗兰克型（4,2）层错的波长为457纳米，四重肖克利型（4,4）层错的波长为462纳米。准确校准并直接检查结构，有助于区分发光信号仅相差几纳米的缺陷。
较新的调查覆盖的晶圆数量接近此前的三倍，207片对比70片；记录的层错数量则是此前的两倍多，104,439个对比约50,000个。这项研究的进展也有明确针对性：此前的搜索未能在424纳米附近发现预期的（4,1）结构，而新研究将其与459纳米联系起来。
论文还修订了层错分类方式
《Acta Materialia》的论文不仅重新认定了一个波长，还重新审视了弗兰克型层错如何分为本征型或非本征型。这两个术语描述的是层错与周围晶体结构之间的关系。
作者依据弗兰克最初提出的晶体学定义，将广受讨论的（3,2）层错归为本征型，尽管其形成过程涉及插入。分类依据是晶体最终形成的排列，而形成过程描述的是这种排列如何产生。
原子观察还显示，标准型（5,2）、（4,2）和（4,1）层错之间存在结构联系。这些观察支持一种可能的演化路径，即这些结构可能由一种转变为另一种。理解这种联系有助于研究人员探究特定缺陷为何会在材料生长或加工过程中出现。
作者发现，在非标准层错中，相同的Zhdanov记号（用于描述堆垛序列的数字标签）可能对应本征型或非本征型结构。因此，必须结合周围的晶体学排列来解读这些标签。
计算还发现，（1,1）和（2,1）层错存在进一步差异。它们的电子特性类似于碳化硅的2H形式，而研究中的大多数层错则呈现类似立方3C形式的电子态。这些结果将分类研究与论文更广泛的解释联系起来，说明原子堆垛如何改变电子和光学特性。
论文发表、所获认可及下一步实际工作
这项研究于2026年10月公布。韩国电气研究院的公告报道分别将公布日期写为10月23日和10月25日。研究被报道于9月8日发表；《Acta Materialia》则将其列入第321卷，论文编号122747，日期为2026年12月1日。
以下主要节点展现了这项最新发现背后一项历时两年多的研究工作：
- 2024年6月1日：此前的研究检查了70片晶圆中的约50,000个层错，并对若干既有波长认定提出质疑。
- 2026年9月8日：据报道，较新的《Acta Materialia》研究发表，将标准型（4,1）层错与459纳米联系起来。
- 2026年10月：韩国电气研究院公布了这项针对207片晶圆和104,439个层错的广泛调查结果。
- 2026年12月1日：刊载该论文的《Acta Materialia》卷期标注日期。
该项目获得了产业通商资源部“化合物功率半导体先进技术开发项目”的支持。论文未经修改要求即获接收，并发表于一份据《期刊引证报告》排名在其领域前5%的期刊。
Na还凭借碳化硅缺陷分析研究，获得2026年HORIBA Masao奖荣誉奖。韩国电气研究院称，自该奖项于2004年设立以来，这是首位来自韩国研究机构的研究人员获此奖项认可。
对制造商而言，眼下的任务是评估修订后的识别方式如何融入现有检测流程。更准确的分类有助于工程师追溯缺陷与生长或加工条件之间的联系，并决定测试哪些工艺变更。研究希望实现的效果是，让缺陷检测更准确地导向对其成因的理解和控制。
要点
- 4H-SiC中的标准型（4,1）弗兰克层错在室温下的发射波长为459纳米，而非沿用已久的424纳米认定值。
- 研究调查了来自9家供应商的207片商用晶圆，共计104,439个层错。
- 研究人员检查了176个超薄样品，并在9个目标缺陷中发射波长为459纳米的6个缺陷里确认了（4,1）结构。
- 计算得出的发射波长约为444至450纳米，支持接近450纳米的信号。
- 2024年的研究已在424纳米处发现另一种缺陷，即单一肖克利型（3,1）层错。
- 研究结果为审查IEC检测指南和改进缺陷分类提供了科学依据。
- Na Moonkyung获得2026年HORIBA Masao奖荣誉奖。
