104.439 Defekte helfen, ein falsch zugeordnetes Signal aufzudecken
Ein südkoreanisches Forschungsteam hat ein anderes Lichtsignal für einen Defekt in Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid identifiziert. Dafür untersuchte es 104.439 Stapelfehler auf 207 kommerziellen Wafern von neun Herstellern. Die Erkenntnis liefert eine wissenschaftliche Grundlage, um einen in IEC 63068-3:2020 festgelegten Identifikationswert zu überarbeiten. Die internationale Norm wird bei der Halbleiterprüfung verwendet.
Inhalt
- 104.439 Defekte helfen, ein falsch zugeordnetes Signal aufzudecken
- Warum eine winzige Veränderung der Atomlagen wichtig ist
- Wie Licht zu einem irreführenden Erkennungsmerkmal wurde
- Von ganzen Wafern bis zu einzelnen Atomlagen
- Was die Supercomputerberechnungen ergaben
- Eine Studie aus dem Jahr 2024 hatte die alte Zuordnung bereits infrage gestellt
- Die Studie überarbeitet auch die Klassifizierung der Stapelfehler
- Veröffentlichung, Auszeichnung und nächste praktische Schritte
- Die wichtigsten Punkte
Der als standardmäßiger (4,1)-Frank-Stapelfehler bekannte Defekt emittiert bei Raumtemperatur Licht mit einer charakteristischen Wellenlänge von 459 Nanometern. Rund 15 Jahre lang wurde er mit 424 Nanometern in Verbindung gebracht. Dieser Wert floss in Richtlinien der Internationalen Elektrotechnischen Kommission ein.
Na Moonkyung, leitender Forscher am Zentrum für Halbleiterforschung der nächsten Generation des Korea Electrotechnology Research Institute, leitete die Arbeit gemeinsam mit dem Team von Professor Hong Soonkoo an der Chungnam National University, HORIBA STEC Korea, SK siltron und weiteren Projektpartnern. Die Untersuchung brachte das Licht einzelner Defekte mit Aufnahmen ihrer tatsächlichen atomaren Anordnungen in Verbindung.
In ihrer Studie in Acta Materialia kombinieren die Forschenden optische Messungen, Mikroskopie zur Darstellung atomarer Strukturen und Berechnungen zum Verhalten von Elektronen im Material. Zusammengenommen weisen diese Methoden 459 Nanometer als charakteristisches Signal des standardmäßigen (4,1)-Fehlers aus.
Ziel ist eine genauere Prüfung von Materialien für Elektrofahrzeuge, Ladegeräte und Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Hersteller müssen wissen, welche Defekte sie erkennen, bevor sie deren Ursachen zurückverfolgen und die Produktion anpassen können. Die Forschung liefert eine Grundlage für die Überprüfung der Prüfrichtlinien. Eine formelle Änderung der IEC-Norm, ihre Einführung in Fabriken und daraus resultierende Verbesserungen der Gerätezuverlässigkeit erfordern jedoch weitere Arbeit.
Warum eine winzige Veränderung der Atomlagen wichtig ist
Siliziumkarbid, meist SiC abgekürzt, eignet sich für Geräte, die Strom bei hohen Spannungen und Temperaturen steuern müssen. Leistungshalbleiter schalten und wandeln elektrische Energie, etwa in Antriebssystemen von Fahrzeugen und Anlagen für erneuerbare Energien.
Ein Wafer ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial, auf der Bauelemente gefertigt werden. Die Forschung befasst sich mit 4H-SiC, einer Form von Siliziumkarbid, deren Atome einem bestimmten, sich wiederholenden Schichtmuster folgen. Bei einem Epitaxiewafer wird auf der Oberfläche eine zusätzliche Kristallschicht aufgewachsen, aus der Bauelemente gefertigt werden.
Stapelfehler entstehen, wenn diese regelmäßige Anordnung unterbrochen wird. Bei manchen fehlen Schichten oder sie werden eingefügt; bei anderen verschieben sich Teile des Kristalls gegeneinander. Ein einfacher Vergleich ist ein sorgfältig geordneter Stapel farbiger Blätter: Wird ein Blatt hinzugefügt, entfernt oder verschoben, verändert sich das Muster in seiner Umgebung.
Die atomare Anordnung beeinflusst, wie sich Elektronen bewegen und Energie abgeben. Ein Defekt kann daher sowohl das elektrische Verhalten eines Bauelements als auch das bei der Prüfung ausgesendete Licht verändern. Die Bezeichnung (4,1) steht für eine bestimmte Stapelfolge und nicht für eine Messung der Defektgröße.
Wie Licht zu einem irreführenden Erkennungsmerkmal wurde
Bei der Photolumineszenzprüfung (PL) wird ein Wafer beleuchtet und das vom Material zurückgestrahlte Licht gemessen. Defekte können charakteristische Emissionssignale erzeugen. So können Prüfgeräte sie lokalisieren und klassifizieren, ohne den Wafer zu beschädigen.
Die Wellenlänge gibt den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen einer Lichtwelle an. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Das korrigierte Signal von 459 Nanometern liegt 35 Nanometer über dem alten Wert von 424 Nanometern. Bezogen auf die bisherige Zuordnung entspricht das einer Abweichung von rund 8,3 Prozent.
Unterschiedliche Atomdefekte können Licht mit ähnlichen Wellenlängen emittieren. Ein Prüfsystem benötigt daher eine zuverlässige Zuordnung zwischen jedem optischen Signal und der Struktur, die es erzeugt. Ist diese Zuordnung falsch, kann das Gerät zwar einen tatsächlichen Defekt finden, ihn aber falsch benennen.
Die frühere Zuordnung zu 424 Nanometern hatte sich etabliert, ohne optische Signale und Atomstrukturen so direkt miteinander abzugleichen wie in der neuen Untersuchung. Die Forschenden gingen dieses Problem an, indem sie genau zu den Stellen zurückkehrten, an denen das Licht gemessen worden war.
Von ganzen Wafern bis zu einzelnen Atomlagen
Das Team begann mit der umfassenden Untersuchung von 207 kommerziellen Wafern. Die Sammlung ermöglichte einen Überblick über Produkte von neun Herstellern und nicht nur über einen kleinen Bereich einer einzelnen Forschungsprobe. Frank-Stapelfehler erwiesen sich als wichtige Defektgruppe im kommerziellen Material.
Anschließend wählten die Forschenden einzelne Defekte für eine genauere Untersuchung aus. Nachdem sie deren Positionen und Emissionswellenlängen mit PL-Messungen erfasst hatten, stellten sie mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls extrem dünne Proben von genau denselben Stellen her. Im Verlauf der Untersuchung analysierten sie 176 Proben mit Frank- und Shockley-Stapelfehlern sowie weiteren Stapelfehlerstrukturen.
Eine fortgeschrittene Elektronenmikroskopietechnik, abgekürzt HAADF HR-STEM, machte die atomaren Anordnungen sichtbar. Der vollständige Name lautet hochauflösende Rastertransmissionselektronenmikroskopie mit ringförmigem Dunkelfeld bei großen Streuwinkeln. Vereinfacht gesagt, werden Elektronen durch eine sehr dünne Probe geschickt. Aus den gestreuten Elektronen entsteht ein Bild, das detailliert genug ist, um Atomspalten voneinander zu unterscheiden.
Die gezielte Untersuchung umfasste neun einzelne Defekte, die Licht mit 459 Nanometern emittierten. Bei sechs davon bestätigten die Forschenden die tatsächliche atomare (4,1)-Struktur. Diese direkte Verknüpfung eines gemessenen Lichtsignals mit einer sichtbaren Stapelfolge lieferte die experimentelle Grundlage für die korrigierte Zuordnung.
Na, der leitende Forscher am KERI, der das Projekt leitete, erläuterte die Bedeutung der Verknüpfung beider Messungen:
Bedeutsam ist, dass wir einen Fehler in einer weltweit geltenden Identifikationsnorm korrigiert haben, der lange akzeptiert worden war, indem wir Lichtsignale direkt mit den tatsächlichen Atomstrukturen verknüpft haben.
Was die Supercomputerberechnungen ergaben
Die Forschenden nutzten außerdem die Dichtefunktionaltheorie (DFT), um Eigenschaften der Defekte zu berechnen. Mit DFT lässt sich das Verhalten von Elektronen in einem Material abschätzen. So können Forschende eine atomare Anordnung mit ihren Energieniveaus und möglichen optischen Signalen in Verbindung bringen.
Drei theoretische Berechnungsansätze ergaben für die betreffende Emission eine Wellenlänge von etwa 444 bis 450 Nanometern. Bei Raumtemperatur wurde eine Wellenlänge von 459 Nanometern gemessen. Die Berechnungen sprechen somit für eine Emission nahe 450 Nanometern und nicht für die seit Langem geltende Zuordnung zu 424 Nanometern. Zur Labormessung bleibt jedoch eine numerische Abweichung.
Die Studie verbindet diese Berechnungen mit Mikroskopie und PL-Spektroskopie, bei der die Emissionsintensität eines Materials bei verschiedenen Wellenlängen gemessen wird. Die experimentelle Messung liefert den Prüfwert von 459 Nanometern, während die Berechnungen eine weitere Möglichkeit bieten, den Zusammenhang zwischen Struktur und Licht zu untersuchen.
Die umfassenderen Berechnungen vergleichen außerdem die Stapelfehlerenergien und die elektronischen Bandstrukturen. Die Stapelfehlerenergie beschreibt den Energieaufwand für eine bestimmte Unterbrechung im Kristall. Die elektronische Bandstruktur gibt an, welche Energien Elektronen annehmen können. Sie hilft zu erklären, warum verschiedene Defekte ein unterschiedliches optisches Verhalten zeigen.
Eine Studie aus dem Jahr 2024 hatte die alte Zuordnung bereits infrage gestellt
Eine frühere Studie zur Waferprüfung, veröffentlicht am 1. Juni 2024 in Materials Science in Semiconductor Processing, untersuchte rund 50.000 Stapelfehler auf 70 kommerziellen Wafern. Auch dort wurden optische Messungen mit einer direkten Analyse ausgewählter Atomstrukturen kombiniert.
Die Untersuchung fand einen einzelnen Shockley-Stapelfehler vom Typ (3,1) bei 424 Nanometern. Diese Wellenlänge war zuvor dem Frank-Defekt vom Typ (4,1) zugeordnet worden. Die Forschenden untersuchten Defekte mit Emissionen zwischen 420 und 430 Nanometern, fanden dort aber nicht die erwartete (4,1)-Struktur.
Die Arbeit von 2024 ordnete auch das charakteristische Signal intrinsischer Frank-Stapelfehler vom Typ (5,2) neu zu: Es liegt bei 482 bis 484 Nanometern und nicht bei den zuvor angegebenen 488 Nanometern. Die in diesem Bereich untersuchten Strukturen waren überwiegend (5,2)-Fehler und nicht die dreifachen Shockley-Fehler vom Typ (5,3), die nach den früheren Wellenlängenzuordnungen zu erwarten gewesen wären. In dieser Untersuchung wurden keine (5,3)-Fehler beobachtet.
Auch andere nahe beieinanderliegende Signale ließen sich besser unterscheiden: Die Studie maß mehrlagige Frank-Stapelfehler vom Typ (4,2) bei 457 Nanometern und vierfache Shockley-Stapelfehler vom Typ (4,4) bei 462 Nanometern. Eine präzise Kalibrierung und direkte Strukturprüfungen halfen dabei, Defekte zu unterscheiden, deren Lichtsignale nur wenige Nanometer auseinanderliegen.
Die neuere Untersuchung erfasst fast dreimal so viele Wafer wie die frühere, nämlich 207 statt 70, sowie etwas mehr als doppelt so viele dokumentierte Fehler: 104.439 statt rund 50.000. Auch die konkrete Erkenntnis geht weiter: Nachdem die frühere Suche die erwartete (4,1)-Struktur nahe 424 Nanometern nicht gefunden hatte, bringt die neue Untersuchung sie mit 459 Nanometern in Verbindung.
Die Studie überarbeitet auch die Klassifizierung der Stapelfehler
Die Studie in Acta Materialia geht über die Korrektur einer Wellenlänge hinaus. Sie überprüft, wie Frank-Stapelfehler als intrinsisch oder extrinsisch klassifiziert werden. Die Begriffe beschreiben ihr Verhältnis zur umgebenden Kristallstruktur.
Nach der ursprünglichen kristallografischen Definition von Frank klassifizieren die Autorinnen und Autoren den viel diskutierten (3,2)-Fehler als intrinsisch, obwohl bei seiner Entstehung eine Lage eingefügt wird. Maßgeblich für die Klassifizierung ist die resultierende Anordnung des Kristalls; der Entstehungsprozess beschreibt, wie diese Anordnung zustande kam.
Atomare Beobachtungen zeigen außerdem strukturelle Zusammenhänge zwischen den standardmäßigen (5,2)-, (4,2)- und (4,1)-Stapelfehlern. Sie stützen einen möglichen Weg, auf dem sich die Strukturen ineinander umwandeln könnten. Diese Zusammenhänge zu verstehen, könnte Forschenden helfen, zu untersuchen, warum ein bestimmter Defekt beim Wachstum oder bei der Verarbeitung des Materials entsteht.
Die Autorinnen und Autoren stellten fest, dass identische Zhdanov-Notationen, also numerische Bezeichnungen für Stapelfolgen, bei nicht standardmäßigen Fehlern sowohl intrinsische als auch extrinsische Konfigurationen beschreiben können. Für die Interpretation der Bezeichnung ist daher auch die umgebende Kristallstruktur nötig.
Die Berechnungen weisen auf weitere Unterschiede bei den (1,1)- und (2,1)-Fehlern hin. Ihre elektronischen Eigenschaften ähneln der 2H-Form von Siliziumkarbid, während die meisten untersuchten Fehler Zustände aufweisen, die der kubischen 3C-Form ähneln. Diese Ergebnisse verbinden die Klassifizierungsarbeit mit der umfassenderen Erklärung der Studie, wie Veränderungen der Atomlagen das elektronische und optische Verhalten beeinflussen.
Veröffentlichung, Auszeichnung und nächste praktische Schritte
Die Forschungsergebnisse wurden im Oktober 2026 bekannt gegeben. In Mitteilungen des KERI werden der 23. und der 25. Oktober als Datum der Bekanntgabe genannt. Die Studie wurde als am 8. September veröffentlicht gemeldet. Acta Materialia ordnet sie dem Band 321, Artikel 122747, mit dem Datum 1. Dezember 2026 zu.
Die wichtigsten Meilensteine ordnen die jüngste Erkenntnis in ein mehr als zwei Jahre umfassendes Forschungsprojekt ein:
- 1. Juni 2024: Die frühere Studie untersuchte rund 50.000 Fehler auf 70 Wafern und stellte mehrere anerkannte Wellenlängenzuordnungen infrage.
- 8. September 2026: Die neuere Studie in Acta Materialia wurde als veröffentlicht gemeldet. Sie verknüpft den standardmäßigen (4,1)-Fehler mit 459 Nanometern.
- Oktober 2026: Das KERI gab die Ergebnisse der umfassenderen Untersuchung von 207 Wafern und 104.439 Fehlern bekannt.
- 1. Dezember 2026: Dieses Datum ist dem Acta-Materialia-Band zugeordnet, in dem die Studie erschienen ist.
Das Projekt wurde durch das Förderprogramm zur Entwicklung fortschrittlicher Technologien für Verbindungshalbleiter des Ministeriums für Handel, Industrie und Energie unterstützt. Die Studie wurde ohne Überarbeitungsforderungen angenommen und erschien in einer Fachzeitschrift, die laut Journal Citation Reports zu den fünf Prozent führenden Zeitschriften ihres Fachgebiets zählt.
Na erhielt zudem eine lobende Erwähnung beim HORIBA Masao Award 2026 für seine Forschung zur Analyse von SiC-Defekten. Nach Angaben des KERI war es die erste Auszeichnung für einen Forschenden einer koreanischen Forschungseinrichtung seit der Einführung des Preises im Jahr 2004.
Für Hersteller besteht die unmittelbare Aufgabe darin, zu prüfen, wie sich die korrigierte Identifikation in bestehende Prüfverfahren integrieren lässt. Eine bessere Klassifizierung kann Ingenieuren helfen, Defekte auf Wachstums- oder Verarbeitungsbedingungen zurückzuführen und gezielt Änderungen zu testen. Der angestrebte Nutzen ist ein genauerer Weg von der Erkennung eines Defekts bis zum Verständnis und zur Kontrolle seiner Ursache.
Die wichtigsten Punkte
- Der standardmäßige Frank-Stapelfehler vom Typ (4,1) in 4H-SiC emittiert bei Raumtemperatur Licht mit 459 Nanometern und nicht mit den seit Langem angenommenen 424 Nanometern.
- Die Untersuchung umfasste 104.439 Stapelfehler auf 207 kommerziellen Wafern von neun Herstellern.
- Die Forschenden untersuchten 176 ultradünne Proben und bestätigten die (4,1)-Struktur bei sechs von neun gezielt untersuchten Defekten, die Licht mit 459 Nanometern emittierten.
- Berechnungen ergaben eine geschätzte Emission bei etwa 444 bis 450 Nanometern und stützen damit ein Signal nahe 450 Nanometern.
- Eine Studie von 2024 hatte bereits einen anderen Defekt, den einzelnen Shockley-Fehler vom Typ (3,1), bei 424 Nanometern nachgewiesen.
- Die Ergebnisse liefern eine wissenschaftliche Grundlage für die Überprüfung der IEC-Prüfrichtlinien und eine bessere Klassifizierung von Defekten.
- Na Moonkyung erhielt eine lobende Erwähnung beim HORIBA Masao Award 2026.
