Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc phát hiện tín hiệu 459 nm của khuyết tật SiC, đặt vấn đề với hướng dẫn kiểm tra suốt 15 năm

104.439 khuyết tật giúp phát hiện tín hiệu nhận dạng sai

Một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã xác định tín hiệu ánh sáng khác của một khuyết tật trong chất bán dẫn công suất silicon carbide sau khi khảo sát 104.439 lỗi xếp chồng trên 207 tấm wafer thương mại từ chín nhà cung cấp. Phát hiện này cung cấp cơ sở khoa học để sửa đổi giá trị nhận dạng trong tiêu chuẩn quốc tế IEC 63068-3:2020, được sử dụng trong kiểm tra chất bán dẫn.

Khuyết tật này, được gọi là lỗi xếp chồng kiểu Frank tiêu chuẩn (4,1), phát ra ánh sáng ở bước sóng đặc trưng 459 nanomet tại nhiệt độ phòng. Trong khoảng 15 năm, lỗi này được cho là gắn với bước sóng 424 nanomet, giá trị được đưa vào hướng dẫn của Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế.

Na Moonkyung, nhà nghiên cứu chính tại Trung tâm Nghiên cứu Chất bán dẫn Thế hệ mới thuộc Viện Nghiên cứu Công nghệ Điện Hàn Quốc, dẫn dắt công trình cùng nhóm của Giáo sư Hong Soonkoo tại Đại học Quốc gia Chungnam, HORIBA STEC Korea, SK siltron và các cộng sự khác. Nghiên cứu đã liên kết ánh sáng phát ra từ từng khuyết tật với hình ảnh cấu trúc nguyên tử thực tế của chúng.

Nghiên cứu trên Acta Materialia của nhóm kết hợp các phép đo quang học, kính hiển vi có khả năng thể hiện cấu trúc nguyên tử và tính toán cách electron hoạt động bên trong vật liệu. Các phương pháp này cùng xác định 459 nanomet là tín hiệu đặc trưng của lỗi (4,1) tiêu chuẩn.

Mục tiêu thực tiễn là kiểm tra chính xác hơn các vật liệu dùng trong xe điện, bộ sạc và thiết bị năng lượng tái tạo. Các nhà sản xuất cần biết mình đang quan sát loại khuyết tật nào trước khi có thể truy tìm nguyên nhân và điều chỉnh quy trình sản xuất. Nghiên cứu đưa ra cơ sở để xem xét lại hướng dẫn kiểm tra; việc chính thức sửa đổi tiêu chuẩn IEC, áp dụng tại các nhà máy và cải thiện độ tin cậy của thiết bị vẫn cần thêm thời gian.

Vì sao thay đổi rất nhỏ trong cách xếp nguyên tử lại quan trọng

Silicon carbide, thường được viết tắt là SiC, hữu ích trong các thiết bị cần điều khiển điện năng ở điện áp và nhiệt độ cao. Chất bán dẫn công suất giúp đóng ngắt và chuyển đổi điện năng, trong đó có các hệ thống truyền động trên xe và hệ thống lắp đặt năng lượng tái tạo.

Wafer là lát mỏng vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo thiết bị. Nghiên cứu tập trung vào 4H-SiC, một dạng silicon carbide có các nguyên tử xếp theo một quy luật lặp lại nhất định. Wafer epitaxy có thêm một lớp tinh thể được phát triển trên bề mặt để chế tạo thiết bị.

Lỗi xếp chồng xuất hiện khi trật tự đều đặn đó bị gián đoạn. Một số lỗi do thiếu hoặc thêm lớp; những lỗi khác hình thành khi các phần của tinh thể trượt tương đối với nhau. Có thể hình dung cấu trúc này như một chồng các tấm màu được xếp ngay ngắn: thêm, bỏ hoặc dịch chuyển một tấm sẽ làm thay đổi quy luật xung quanh nó.

Cách sắp xếp nguyên tử ảnh hưởng đến chuyển động và sự giải phóng năng lượng của electron. Vì vậy, một khuyết tật có thể làm thay đổi cả tính chất điện của thiết bị lẫn ánh sáng phát ra trong quá trình kiểm tra. Ký hiệu (4,1) là cách viết tắt của một trình tự xếp chồng cụ thể, không phải số đo kích thước khuyết tật.

Ánh sáng trở thành dấu hiệu nhận dạng gây nhầm lẫn như thế nào

Kiểm tra quang phát quang (PL) chiếu ánh sáng lên wafer rồi đo ánh sáng phát ra từ vật liệu. Khuyết tật có thể tạo ra tín hiệu phát xạ đặc trưng, giúp thiết bị kiểm tra định vị và phân loại chúng mà không làm hỏng wafer.

Bước sóng là khoảng cách giữa các đỉnh liên tiếp của sóng ánh sáng. Một nanomet bằng một phần tỷ mét. Tín hiệu được xác định lại, 459 nanomet, dài hơn giá trị cũ 424 nanomet 35 nanomet, chênh lệch khoảng 8,3% so với giá trị trước đây.

Các khuyết tật nguyên tử khác nhau có thể phát xạ ở những bước sóng gần nhau. Vì vậy, hệ thống kiểm tra cần liên kết đáng tin cậy từng tín hiệu quang học với cấu trúc tạo ra nó. Nếu liên kết này sai, thiết bị vẫn có thể phát hiện khuyết tật thật nhưng gọi nhầm tên.

Giá trị 424 nanomet trước đây đã được chấp nhận mà không có sự đối chiếu trực tiếp giữa tín hiệu quang học và cấu trúc nguyên tử như trong nghiên cứu mới. Các nhà nghiên cứu giải quyết vấn đề bằng cách quay lại chính xác những vị trí đã đo ánh sáng.

Từ toàn bộ wafer đến từng lớp nguyên tử

Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng khảo sát diện rộng 207 wafer thương mại. Tập mẫu này cho phép quan sát vật liệu từ chín nhà cung cấp, thay vì chỉ khảo sát một khu vực nhỏ trên một mẫu nghiên cứu duy nhất. Lỗi xếp chồng kiểu Frank nổi lên như một nhóm khuyết tật quan trọng trong vật liệu thương mại.

Sau đó, các nhà nghiên cứu chọn từng khuyết tật để khảo sát kỹ hơn. Sau khi ghi nhận vị trí và bước sóng phát xạ bằng phép đo PL, họ dùng chùm ion hội tụ để chuẩn bị các mẫu cực mỏng từ đúng những vị trí đó. Trong toàn bộ nghiên cứu, họ khảo sát 176 mẫu chứa các cấu trúc lỗi xếp chồng kiểu Frank, kiểu Shockley và các dạng khác.

Kỹ thuật kính hiển vi điện tử tiên tiến, viết tắt là HAADF HR-STEM, cho thấy cách sắp xếp nguyên tử. Tên đầy đủ của kỹ thuật này là kính hiển vi điện tử truyền qua quét độ phân giải cao, trường tối vòng góc lớn. Nói đơn giản, kỹ thuật này đưa electron xuyên qua một mẫu rất mỏng rồi dùng các electron tán xạ để tạo ảnh đủ chi tiết nhằm phân biệt các cột nguyên tử.

Nghiên cứu tập trung vào chín khuyết tật riêng biệt phát xạ ở bước sóng 459 nanomet. Các nhà nghiên cứu xác nhận cấu trúc nguyên tử (4,1) thực tế ở sáu khuyết tật trong số đó. Mối liên hệ trực tiếp giữa tín hiệu ánh sáng đo được và cấu trúc xếp chồng quan sát được đã tạo cơ sở thực nghiệm cho việc xác định lại giá trị.

Na, nhà nghiên cứu chính của KERI dẫn dắt dự án, nhấn mạnh ý nghĩa của việc kết nối hai phép đo:

Điều có ý nghĩa là chúng tôi đã sửa một sai sót trong tiêu chuẩn nhận dạng toàn cầu vốn được chấp nhận trong thời gian dài, bằng cách trực tiếp liên kết tín hiệu ánh sáng với cấu trúc nguyên tử thực tế.

Kết quả tính toán trên siêu máy tính

Các nhà nghiên cứu cũng dùng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để tính toán các tính chất của khuyết tật. DFT là phương pháp ước tính cách electron hoạt động trong vật liệu, giúp các nhà nghiên cứu liên hệ cách sắp xếp nguyên tử với các mức năng lượng và tín hiệu quang học có thể phát ra.

Ba phương pháp tính toán lý thuyết cho kết quả phát xạ liên quan nằm trong khoảng 444 đến 450 nanomet. Bước sóng đo được ở nhiệt độ phòng là 459 nanomet. Do đó, các tính toán ủng hộ mức phát xạ gần 450 nanomet hơn là giá trị 424 nanomet đã được sử dụng lâu nay, dù vẫn còn chênh lệch với phép đo trong phòng thí nghiệm.

Bài báo kết hợp các tính toán này với kính hiển vi và phổ học PL, phương pháp đo cường độ phát xạ của vật liệu ở các bước sóng khác nhau. Phép đo thực nghiệm cung cấp giá trị kiểm tra 459 nanomet, còn các tính toán đưa ra một cách khác để khảo sát mối liên hệ giữa cấu trúc và ánh sáng.

Các tính toán rộng hơn cũng so sánh năng lượng lỗi xếp chồng và cấu trúc vùng năng lượng điện tử. Năng lượng lỗi mô tả chi phí năng lượng của một dạng gián đoạn cụ thể trong tinh thể. Cấu trúc vùng năng lượng điện tử mô tả các mức năng lượng mà electron có thể chiếm giữ, giúp lý giải vì sao những khuyết tật khác nhau có đặc tính quang học khác nhau.

Nghiên cứu năm 2024 đã đặt nghi vấn về cách phân loại cũ

Một nghiên cứu kiểm tra wafer trước đó, công bố ngày 1 tháng 6 năm 2024 trên tạp chí Materials Science in Semiconductor Processing, khảo sát khoảng 50.000 lỗi xếp chồng trên 70 wafer thương mại. Nghiên cứu này cũng kết hợp phép đo quang học với việc kiểm tra trực tiếp cấu trúc nguyên tử được chọn.

Nghiên cứu phát hiện một lỗi xếp chồng kiểu Shockley đơn (3,1) ở bước sóng 424 nanomet, vốn trước đó được cho là của khuyết tật kiểu Frank (4,1). Các nhà nghiên cứu tìm các khuyết tật phát xạ trong khoảng 420 đến 430 nanomet nhưng không thấy cấu trúc (4,1) như dự kiến ở đó.

Công trình năm 2024 cũng xác định lại tín hiệu đặc trưng của lỗi nội tại kiểu Frank (5,2) là 482 đến 484 nanomet, thay vì 488 nanomet như báo cáo trước đây. Các cấu trúc được khảo sát trong khoảng bước sóng này chủ yếu là lỗi (5,2), chứ không phải lỗi Shockley ba lớp (5,3) như cách gán bước sóng trước đó gợi ý. Khảo sát không phát hiện lỗi (5,3) nào.

Các tín hiệu gần nhau khác cũng được phân biệt rõ hơn: nghiên cứu đo được lỗi Frank nhiều lớp (4,2) ở 457 nanomet và lỗi Shockley bốn lớp (4,4) ở 462 nanomet. Việc hiệu chuẩn chính xác và kiểm tra trực tiếp cấu trúc giúp phân biệt các khuyết tật có tín hiệu ánh sáng chỉ cách nhau vài nanomet.

Khảo sát mới bao quát số wafer gần gấp ba lần, 207 so với 70, và số lỗi được ghi nhận nhiều hơn một chút so với gấp đôi, 104.439 so với khoảng 50.000. Tiến bộ này cũng có trọng tâm cụ thể: sau khi cuộc tìm kiếm trước không tìm thấy cấu trúc (4,1) như dự kiến quanh 424 nanomet, nghiên cứu mới đã liên kết cấu trúc đó với bước sóng 459 nanomet.

Bài báo cũng điều chỉnh cách phân loại lỗi

Bài báo trên Acta Materialia không chỉ thay thế một giá trị bước sóng. Nghiên cứu còn xem xét lại cách phân loại lỗi xếp chồng kiểu Frank là nội tại hay ngoại lai, các thuật ngữ mô tả mối liên hệ giữa lỗi với cấu trúc tinh thể xung quanh.

Dựa trên định nghĩa tinh thể học ban đầu của Frank, các tác giả phân loại lỗi (3,2) được thảo luận rộng rãi là nội tại, dù quá trình hình thành có sự chèn thêm. Việc phân loại dựa trên cấu trúc tinh thể cuối cùng, còn quá trình hình thành mô tả cách cấu trúc đó phát triển.

Các quan sát nguyên tử cũng cho thấy mối liên hệ cấu trúc giữa những lỗi (5,2), (4,2) và (4,1) tiêu chuẩn. Những quan sát này ủng hộ một lộ trình khả dĩ để các cấu trúc chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Hiểu được các mối liên hệ đó có thể giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu vì sao một khuyết tật cụ thể xuất hiện trong quá trình phát triển hoặc xử lý vật liệu.

Các tác giả nhận thấy cùng một ký hiệu Zhdanov, tức nhãn số dùng để mô tả trình tự xếp chồng, có thể chỉ cả cấu hình nội tại lẫn ngoại lai trong số các lỗi không tiêu chuẩn. Vì vậy, cần xét cấu trúc tinh thể xung quanh để diễn giải ký hiệu.

Các tính toán chỉ ra thêm những khác biệt ở lỗi (1,1) và (2,1). Đặc tính điện tử của chúng tương tự dạng 2H của silicon carbide, trong khi phần lớn lỗi được nghiên cứu có các trạng thái giống dạng lập phương 3C. Kết quả này kết nối công trình phân loại với phần giải thích rộng hơn của bài báo về cách thay đổi trong cấu trúc xếp chồng nguyên tử làm biến đổi đặc tính điện tử và quang học.

Công bố, ghi nhận và bước tiếp theo trong ứng dụng

Nghiên cứu được công bố vào tháng 10 năm 2026. Các bản tin về thông báo của KERI ghi ngày 23 và 25 tháng 10. Nghiên cứu được cho biết đã xuất bản ngày 8 tháng 9, trong khi Acta Materialia ghi bài báo thuộc tập 321, mã bài 122747, đề ngày 1 tháng 12 năm 2026.

Các mốc chính cho thấy phát hiện mới nhất là kết quả của nỗ lực nghiên cứu kéo dài hơn hai năm:

• Ngày 1 tháng 6 năm 2024: Nghiên cứu trước khảo sát khoảng 50.000 lỗi trên 70 wafer và đặt nghi vấn về một số giá trị bước sóng được chấp nhận.
• Ngày 8 tháng 9 năm 2026: Nghiên cứu mới trên Acta Materialia được cho biết đã xuất bản, liên kết lỗi (4,1) tiêu chuẩn với bước sóng 459 nanomet.
• Tháng 10 năm 2026: KERI công bố kết quả khảo sát rộng hơn trên 207 wafer với 104.439 lỗi.
• Ngày 1 tháng 12 năm 2026: Ngày đề trên tập Acta Materialia có đăng bài báo.

Dự án nhận hỗ trợ từ Dự án Phát triển Công nghệ Thúc đẩy Chất bán dẫn Công suất Hợp chất của Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng. Bài báo được chấp nhận mà không yêu cầu chỉnh sửa và xuất hiện trên một tạp chí được mô tả là thuộc nhóm 5% hàng đầu trong lĩnh vực theo Journal Citation Reports.

Na cũng nhận giải Khuyến khích tại Giải thưởng HORIBA Masao năm 2026 nhờ nghiên cứu phân tích khuyết tật SiC. Theo KERI, đây là lần đầu tiên kể từ khi giải thưởng bắt đầu vào năm 2004, một nhà nghiên cứu thuộc cơ quan nghiên cứu Hàn Quốc được vinh danh.

Đối với các nhà sản xuất, nhiệm vụ trước mắt là đánh giá cách đưa phương pháp nhận dạng mới vào quy trình kiểm tra hiện có. Phân loại tốt hơn có thể giúp kỹ sư truy tìm khuyết tật về điều kiện phát triển hoặc xử lý vật liệu và quyết định cần thử nghiệm những thay đổi nào. Lợi ích kỳ vọng là tạo ra quy trình chính xác hơn, từ phát hiện khuyết tật đến hiểu và kiểm soát nguyên nhân.

Điểm chính

• Lỗi xếp chồng kiểu Frank (4,1) tiêu chuẩn trong 4H-SiC phát xạ ở bước sóng 459 nanomet tại nhiệt độ phòng, thay vì giá trị 424 nanomet được sử dụng lâu nay.
• Nghiên cứu khảo sát 104.439 lỗi xếp chồng trên 207 wafer thương mại từ chín nhà cung cấp.
• Các nhà nghiên cứu khảo sát 176 mẫu siêu mỏng và xác nhận cấu trúc (4,1) ở sáu trong số chín khuyết tật được nhắm đến, phát xạ ở bước sóng 459 nanomet.
• Các tính toán ước tính bước sóng phát xạ khoảng 444 đến 450 nanomet, củng cố nhận định tín hiệu nằm gần 450 nanomet.
• Nghiên cứu năm 2024 đã xác định một khuyết tật khác, lỗi Shockley đơn (3,1), ở bước sóng 424 nanomet.
• Phát hiện cung cấp cơ sở khoa học để xem xét hướng dẫn kiểm tra IEC và cải thiện việc phân loại khuyết tật.
• Na Moonkyung nhận giải Khuyến khích tại Giải thưởng HORIBA Masao năm 2026.