104,439 個缺陷揭露錯誤的識別訊號
韓國研究團隊檢視來自 9 家供應商、共 207 片商用晶圓上的 104,439 個堆疊錯位後，為碳化矽功率半導體中的一種缺陷找出不同的光訊號。這項發現為修訂 IEC 63068-3:2020 中列載的識別值提供科學依據；該國際標準用於半導體檢測。
目錄
這種缺陷稱為標準型 (4,1) Frank 堆疊錯位，在室溫下會以 459 奈米的特徵波長發光。約 15 年來，它一直被認為對應 424 奈米；這個數值也被納入國際電工委員會的指引。
韓國電氣研究院次世代半導體研究中心首席研究員 Na Moonkyung，與忠南大學 Hong Soonkoo 教授的團隊、HORIBA STEC Korea、SK siltron 及其他合作夥伴共同進行這項研究。他們將個別缺陷發出的光，與其實際原子排列的影像相互比對。
團隊發表於 Acta Materialia 的研究結合光學量測、可顯示原子結構的顯微技術，以及對材料內電子行為的計算。這些方法共同確認，459 奈米是標準型 (4,1) 堆疊錯位的特徵訊號。
這項研究的實際目標，是更準確地檢測電動車、充電器及再生能源設備所用的材料。製造商必須先確認看到的是哪種缺陷，才能追查成因並調整製程。這項研究為檢討檢測指引提供依據；IEC 標準正式修訂、工廠採用，以及因此提升元件可靠度，仍有待後續工作。
原子堆疊的微小變化為何重要
碳化矽通常簡稱 SiC，適用於必須在高電壓與高溫下控制電力的設備。功率半導體負責切換及轉換電力，應用範圍包括車輛驅動系統與再生能源設施。
晶圓是製作元件所用的半導體材料薄片。這項研究探討的是 4H-SiC，這種碳化矽的原子依照特定的重複堆疊模式排列。磊晶晶圓則是在表面額外生長一層晶體，以供製作元件。
堆疊錯位是指這種規則排列受到干擾。有些錯位是少了一層或多了一層；另一些則是在晶體的部分區域彼此滑動時形成。可以把它想成一疊依序排列的彩色紙張：加入、拿掉或移動其中一張，都會改變周圍的圖案。
原子排列會影響電子的移動方式與能量釋放。因此，缺陷可能改變元件的電性，也會改變檢測時發出的光。(4,1) 是特定堆疊順序的簡稱，並非缺陷尺寸的測量值。
光訊號如何成為誤導性的特徵
光致發光（PL）檢測會以光照射晶圓，並測量材料反射或發出的光。缺陷可能產生特徵發光訊號，使檢測設備能在不破壞晶圓的情況下定位並分類缺陷。
波長是光波相鄰波峰之間的距離。一奈米是十億分之一公尺。修正後的訊號為 459 奈米，比舊值 424 奈米長 35 奈米；相較於先前的指認值，差異約為 8.3%。
不同的原子缺陷可能發出波長相近的光。因此，檢測系統需要可靠地將各種光訊號與產生訊號的結構連結起來。如果連結有誤，設備可能確實找到缺陷，卻將其錯誤命名。
過去將訊號指認為 424 奈米時，並未像這項新研究一樣，直接比對光訊號與原子結構。研究人員透過回到量測光訊號的確切位置，處理了這個問題。
從整片晶圓到單層原子
團隊首先廣泛調查 207 片商用晶圓。這批樣本涵蓋 9 家供應商，讓研究人員得以觀察不同來源的材料，而非僅檢視單一研究樣本的一小部分。Frank 型堆疊錯位是商用材料中的重要缺陷類別。
接著，研究人員挑選個別缺陷進行深入檢查。他們先以 PL 量測記錄缺陷位置與發光波長，再使用聚焦離子束，從相同位置製備極薄樣本。整項研究共檢視 176 個樣本，涵蓋 Frank 型、Shockley 型及其他堆疊錯位結構。
研究人員使用簡稱為 HAADF HR-STEM 的先進電子顯微技術，觀察原子排列。其全名為高角度環形暗場高解析度掃描穿透式電子顯微術。簡單來說，這種技術讓電子穿過極薄樣本，再利用散射電子生成影像，細節足以分辨原子柱。
針對性調查納入 9 個在 459 奈米發光的獨立缺陷。研究人員在其中 6 個確認了實際的 (4,1) 原子結構。這項對照將量測到的光訊號與可見的堆疊排列直接連結，為修正指認值提供實驗依據。
領導這項計畫的韓國電氣研究院首席研究員 Na 說明了連結兩種量測的重要性：
我們直接將光訊號與實際原子結構連結，修正了一項長期受到認可的全球識別標準中的錯誤，這點意義重大。
超級電腦計算得出什麼結果
研究人員也使用密度泛函理論（DFT）計算缺陷的性質。DFT 是一種估算材料中電子行為的方法，能協助研究人員將原子排列與能階及可能的光學訊號連結起來。
三種理論計算方法估算，相關發光波長約為 444 至 450 奈米。室溫下的實測波長則為 459 奈米。因此，計算結果較支持接近 450 奈米的發光波長，而非沿用多年的 424 奈米指認值；但計算值與實驗量測值之間仍有數值差距。
這篇論文將上述計算結果與顯微分析及 PL 光譜法相結合；PL 光譜法可測量材料在不同波長下的發光強度。實驗量測提供 459 奈米這個檢測值，計算則以另一種方式檢視結構與光訊號之間的關係。
更廣泛的計算也比較了堆疊錯位能量與電子能帶結構。錯位能量描述晶體中出現特定排列中斷所需的能量代價；電子能帶結構則描述電子可處於哪些能量狀態，有助於解釋不同缺陷為何呈現不同的光學行為。
2024 年研究已對舊有對照提出質疑
一項較早發表於 2024 年 6 月 1 日、刊載於 Materials Science in Semiconductor Processing 的晶圓檢測研究，檢視了 70 片商用晶圓上的約 50,000 個堆疊錯位。該研究也將光學量測與選定原子結構的直接檢查相互比對。
該研究在 424 奈米處發現一個單一的 Shockley 型 (3,1) 堆疊錯位；這個波長先前被認為對應 Frank 型 (4,1) 缺陷。研究人員搜尋了發光波長介於 420 至 430 奈米的缺陷，卻未在該範圍觀察到預期的 (4,1) 結構。
2024 年的研究也將本徵 Frank 型 (5,2) 堆疊錯位的特徵訊號重新指認為 482 至 484 奈米，而非先前報告的 488 奈米。在該波長範圍檢視的結構以 (5,2) 堆疊錯位為主，而非先前波長指認所暗示的三重 Shockley 型 (5,3) 堆疊錯位。該次調查未觀察到任何 (5,3) 堆疊錯位。
其他相近的訊號也變得較容易區分：該研究量得多層 Frank 型 (4,2) 堆疊錯位的波長為 457 奈米，四重 Shockley 型 (4,4) 堆疊錯位則為 462 奈米。精確校準及直接結構檢查，有助於區分發光波長僅相差幾奈米的缺陷。
較新的調查涵蓋的晶圓數幾乎是先前的 3 倍，從 70 片增至 207 片；記錄的錯位數則是先前的 2 倍多一些，從約 50,000 個增至 104,439 個。這項進展也有明確焦點：先前搜尋未能在 424 奈米附近找到預期的 (4,1) 結構，較新的研究則將該結構與 459 奈米連結起來。
論文也修正了堆疊錯位的分類方式
這篇刊載於 Acta Materialia 的論文不只更換了一個波長，也重新檢視 Frank 型堆疊錯位如何分類為本徵或非本徵。這兩個術語描述的是缺陷與周圍晶體結構之間的關係。
作者依據 Frank 原始的晶體學定義，將廣受討論的 (3,2) 堆疊錯位分類為本徵型，儘管其形成過程涉及插入原子層。分類依據是晶體最終形成的排列，而形成過程描述的則是該排列如何發展而來。
原子觀察也顯示，標準型 (5,2)、(4,2) 與 (4,1) 堆疊錯位在結構上彼此相關。這些觀察支持一種可能途徑，說明這些結構如何從一種轉變為另一種。了解這些關聯，或可協助研究人員探究特定缺陷為何會在材料生長或加工時出現。
作者發現，在非標準堆疊錯位中，相同的 Zhdanov 記號（用來描述堆疊順序的數字標記）可能代表本徵或非本徵結構。因此，需要參考周圍的晶體排列才能解讀這些標記。
計算也指出 (1,1) 與 (2,1) 堆疊錯位的其他差異。它們的電子特性與碳化矽的 2H 型相似，而研究的大多數堆疊錯位則呈現類似立方 3C 型的狀態。這些結果將分類研究與論文更廣泛的說明連結起來，解釋原子堆疊如何改變電子與光學行為。
論文發表、獲獎與後續實務工作
這項研究於 2026 年 10 月對外公布。韓國電氣研究院的公告紀錄分別列出 10 月 23 日與 10 月 25 日為公布日期。研究據報於 9 月 8 日發表；Acta Materialia 則將論文編入第 321 卷，文章編號 122747，卷期日期為 2026 年 12 月 1 日。
以下主要時間點，呈現這項跨越兩年多的研究進展：
- 2024 年 6 月 1 日：先前研究檢視 70 片晶圓上的約 50,000 個堆疊錯位，並對數項廣為接受的波長指認提出質疑。
- 2026 年 9 月 8 日：據報較新的 Acta Materialia 研究於當日發表，將標準型 (4,1) 堆疊錯位與 459 奈米連結起來。
- 2026 年 10 月：韓國電氣研究院公布這項涵蓋 207 片晶圓與 104,439 個堆疊錯位的廣泛調查結果。
- 2026 年 12 月 1 日：刊載該論文的 Acta Materialia 卷期日期。
這項計畫獲得產業通商資源部「化合物功率半導體技術提升開發計畫」支持。論文未經要求修改即獲接受，並刊載於一份在 Journal Citation Reports 中排名所屬領域前 5% 的期刊。
Na 也因 SiC 缺陷分析研究，獲得 2026 年 HORIBA Masao Award 榮譽獎。據韓國電氣研究院表示，自該獎項於 2004 年設立以來，Na 是首位獲獎的韓國研究機構研究人員。
對製造商而言，眼前的工作是評估如何將修正後的識別方式納入現有檢測程序。更準確的分類有助工程師追查缺陷與生長或加工條件的關聯，並決定要測試哪些製程調整。這項研究的預期效益，是讓缺陷檢測能更準確地進一步找出並控制成因。
重點整理
- 4H-SiC 中的標準型 (4,1) Frank 堆疊錯位在室溫下的發光波長為 459 奈米，而非沿用多年的 424 奈米指認值。
- 調查涵蓋來自 9 家供應商、207 片商用晶圓上的 104,439 個堆疊錯位。
- 研究人員檢視 176 個超薄樣本，並在 9 個針對性檢查、發光波長為 459 奈米的缺陷中，有 6 個確認了 (4,1) 結構。
- 計算估計發光波長約為 444 至 450 奈米，支持訊號接近 450 奈米。
- 2024 年的研究已在 424 奈米處辨識出另一種缺陷，即單一 Shockley 型 (3,1) 堆疊錯位。
- 研究結果為檢討 IEC 檢測指引及改善缺陷分類提供科學依據。
- Na Moonkyung 獲得 2026 年 HORIBA Masao Award 榮譽獎。
