Equipa sul-coreana identifica sinal de 459 nm para defeito no SiC, pondo em causa 15 anos de orientações de inspeção

104 439 defeitos ajudam a revelar um sinal de identificação incorreto

Uma equipa de investigação sul-coreana identificou um sinal luminoso diferente para um defeito em semicondutores de potência de carboneto de silício, depois de analisar 104 439 falhas de empilhamento em 207 pastilhas comerciais de nove fornecedores. A descoberta fornece fundamentos científicos para rever um valor de identificação incluído na norma internacional IEC 63068-3:2020, utilizada na inspeção de semicondutores.

O defeito, conhecido como falha de empilhamento de Frank padrão (4,1), emite luz num comprimento de onda característico de 459 nanómetros à temperatura ambiente. Durante cerca de 15 anos, foi associado aos 424 nanómetros, valor incluído nas orientações da Comissão Eletrotécnica Internacional.

Na Moonkyung, investigador principal do Centro de Investigação de Semicondutores de Nova Geração do Instituto de Investigação Eletrotécnica da Coreia, liderou o trabalho com a equipa do professor Hong Soonkoo, da Universidade Nacional de Chungnam, a HORIBA STEC Korea, a SK siltron e outros colaboradores. A investigação relacionou a luz emitida por defeitos individuais com imagens das respetivas estruturas atómicas reais.

O estudo publicado na Acta Materialia combina medições óticas, microscopia capaz de revelar estruturas atómicas e cálculos sobre o comportamento dos eletrões no material. Em conjunto, estes métodos identificam os 459 nanómetros como o sinal característico da falha padrão (4,1).

O objetivo prático é tornar mais precisa a inspeção dos materiais utilizados em veículos elétricos, carregadores e equipamentos de energia renovável. Os fabricantes precisam de saber que defeitos estão a observar antes de poderem identificar as suas causas e ajustar a produção. A investigação oferece uma base para rever as orientações de inspeção; a alteração formal da norma IEC, a adoção nas fábricas e as consequentes melhorias na fiabilidade dos dispositivos exigem ainda trabalho adicional.

Porque é importante uma pequena alteração no empilhamento atómico

O carboneto de silício, geralmente abreviado para SiC, é útil em equipamentos que têm de controlar a eletricidade, suportando tensões e temperaturas elevadas. Os semicondutores de potência ajudam a comutar e converter energia elétrica, nomeadamente nos sistemas de propulsão de veículos e nas instalações de energia renovável.

Uma pastilha é uma fina lâmina de material semicondutor onde são fabricados dispositivos. A investigação incide sobre o 4H-SiC, uma forma de carboneto de silício cujos átomos seguem um determinado padrão de empilhamento repetitivo. Uma pastilha epitaxial tem uma camada cristalina adicional, crescida à superfície, para a fabricação de dispositivos.

As falhas de empilhamento ocorrem quando essa disposição regular é interrompida. Algumas envolvem camadas em falta ou inseridas; outras formam-se quando partes do cristal deslizam umas em relação às outras. Uma comparação simples é a de uma pilha organizada de folhas coloridas: acrescentar, retirar ou deslocar uma folha altera o padrão à sua volta.

A disposição dos átomos afeta o movimento dos eletrões e a libertação de energia. Por isso, um defeito pode alterar tanto o comportamento elétrico de um dispositivo como a luz emitida durante a inspeção. A designação (4,1) é uma forma abreviada de indicar uma determinada sequência de empilhamento, não uma medida da dimensão do defeito.

Como a luz se tornou uma impressão digital enganadora

A inspeção por fotoluminescência, ou PL, ilumina uma pastilha e mede a luz que o material emite em resposta. Os defeitos podem produzir sinais de emissão característicos, permitindo ao equipamento de inspeção localizá-los e classificá-los sem danificar a pastilha.

O comprimento de onda mede a distância entre picos sucessivos de uma onda luminosa. Um nanómetro corresponde a mil milionésimos de metro. O sinal revisto, de 459 nanómetros, é 35 nanómetros mais longo do que o valor anterior de 424 nanómetros, uma diferença de cerca de 8,3% em relação à atribuição anterior.

Defeitos atómicos diferentes podem emitir em comprimentos de onda próximos. Por isso, um sistema de inspeção precisa de estabelecer uma relação fiável entre cada sinal ótico e a estrutura que o produz. Se essa relação estiver errada, o equipamento pode detetar um defeito real, mas atribuir-lhe o nome errado.

A atribuição anterior de 424 nanómetros tinha-se consolidado sem a mesma correspondência direta entre sinais óticos e estruturas atómicas utilizada na nova investigação. Os investigadores abordaram o problema regressando aos locais exatos onde a luz tinha sido medida.

Das pastilhas inteiras às camadas atómicas individuais

A equipa começou pelo levantamento abrangente de 207 pastilhas comerciais. Esta amostra permitiu observar materiais de nove fornecedores, em vez de uma pequena área de uma única amostra de investigação. As falhas de empilhamento do tipo Frank revelaram-se um grupo importante de defeitos nos materiais comerciais.

Em seguida, os investigadores selecionaram defeitos individuais para uma análise mais detalhada. Depois de registarem as suas posições e os comprimentos de onda de emissão através de medições PL, utilizaram um feixe de iões focado para preparar amostras extremamente finas nos mesmos locais. No conjunto da investigação, analisaram 176 amostras com estruturas de falhas de empilhamento do tipo Frank, do tipo Shockley e de outros tipos.

Uma técnica avançada de microscopia eletrónica, abreviada como HAADF HR-STEM, revelou as disposições atómicas. A designação por extenso é microscopia eletrónica de transmissão de varrimento de alta resolução com campo escuro anular de alto ângulo. Em termos simples, faz passar eletrões através de uma amostra muito fina e utiliza os eletrões dispersos para criar uma imagem suficientemente detalhada para distinguir colunas de átomos.

A análise direcionada incluiu nove defeitos independentes com emissão a 459 nanómetros. Os investigadores confirmaram a estrutura atómica real (4,1) em seis deles. Esta ligação direta entre um sinal luminoso medido e uma disposição de empilhamento visível forneceu a base experimental para a atribuição revista.

Na, investigador principal do KERI que liderou o projeto, descreveu a importância de relacionar as duas medições:

É significativo termos corrigido um erro numa norma global de identificação, aceite durante muito tempo, ligando diretamente os sinais luminosos às estruturas atómicas reais.

O que revelaram os cálculos no supercomputador

Os investigadores também utilizaram a teoria do funcional da densidade, ou DFT, para calcular as propriedades dos defeitos. A DFT é um método para estimar o comportamento dos eletrões num material, ajudando os investigadores a relacionar uma disposição atómica com os seus níveis de energia e possíveis sinais óticos.

Três métodos de cálculo teórico situaram a emissão relevante entre aproximadamente 444 e 450 nanómetros. O comprimento de onda medido à temperatura ambiente foi de 459 nanómetros. Assim, os cálculos apontaram para uma emissão próxima dos 450 nanómetros, em vez da atribuição há muito estabelecida de 424 nanómetros, embora se mantenha uma diferença numérica em relação à medição laboratorial.

O artigo reúne estes cálculos com microscopia e espectroscopia PL, que mede a intensidade com que um material emite em diferentes comprimentos de onda. A medição experimental fornece o valor de inspeção de 459 nanómetros, enquanto os cálculos oferecem outra forma de analisar a relação entre estrutura e luz.

Os cálculos mais abrangentes também comparam as energias das falhas de empilhamento e as estruturas de bandas eletrónicas. A energia da falha descreve o custo energético de uma determinada interrupção no cristal. A estrutura de bandas eletrónicas descreve os níveis de energia que os eletrões podem ocupar, ajudando a explicar por que razão diferentes defeitos têm comportamentos óticos distintos.

Um estudo de 2024 já tinha posto em causa o antigo quadro

Um estudo anterior sobre a inspeção de pastilhas, publicado a 1 de junho de 2024 na revista Materials Science in Semiconductor Processing, analisou cerca de 50 000 falhas de empilhamento em 70 pastilhas comerciais. Também cruzou medições óticas com a análise direta de estruturas atómicas selecionadas.

Essa investigação encontrou uma única falha de empilhamento do tipo Shockley (3,1) a 424 nanómetros, o comprimento de onda anteriormente associado ao defeito de Frank (4,1). Os investigadores procuraram defeitos com emissão entre 420 e 430 nanómetros, mas não observaram aí a estrutura (4,1) esperada.

O trabalho de 2024 também atribuiu às falhas intrínsecas de Frank (5,2) um sinal característico entre 482 e 484 nanómetros, em vez dos 488 nanómetros anteriormente indicados. As estruturas analisadas nesse intervalo eram predominantemente falhas (5,2), e não as falhas triplas do tipo Shockley (5,3) sugeridas pelas atribuições anteriores de comprimento de onda. Não foram observadas falhas (5,3) nesse levantamento.

Outros sinais próximos tornaram-se mais fáceis de distinguir: o estudo mediu falhas de Frank multicamada (4,2) a 457 nanómetros e falhas quádruplas do tipo Shockley (4,4) a 462 nanómetros. Uma calibração precisa e verificações estruturais diretas ajudaram a distinguir defeitos cujos sinais luminosos diferem apenas alguns nanómetros.

O levantamento mais recente abrange quase três vezes mais pastilhas, 207 em comparação com 70, e pouco mais do dobro das falhas registadas, 104 439 em comparação com cerca de 50 000. O avanço é também específico: depois de a investigação anterior não ter encontrado a estrutura (4,1) esperada perto dos 424 nanómetros, o estudo mais recente associa-a aos 459 nanómetros.

O artigo também revê a classificação das falhas

O artigo da Acta Materialia vai além da substituição de um comprimento de onda. Reexamina a classificação das falhas de empilhamento do tipo Frank como intrínsecas ou extrínsecas, termos que descrevem a sua relação com a estrutura cristalina envolvente.

Aplicando a definição cristalográfica original de Frank, os autores classificam a falha (3,2), amplamente debatida, como intrínseca, apesar de a sua formação envolver uma inserção. A classificação depende da disposição resultante do cristal, enquanto o processo de formação descreve como essa disposição se desenvolveu.

As observações atómicas também revelam ligações estruturais entre as falhas padrão (5,2), (4,2) e (4,1). Estas observações sustentam uma possível via pela qual as estruturas poderiam evoluir de uma para outra. Compreender essas ligações poderá ajudar os investigadores a apurar por que razão determinado defeito surge durante o crescimento ou o processamento do material.

Os autores concluíram que notações de Zhdanov idênticas, as designações numéricas utilizadas para descrever sequências de empilhamento, podem corresponder a configurações intrínsecas ou extrínsecas entre falhas não padrão. Por isso, é necessário conhecer a disposição cristalográfica envolvente para interpretar a designação.

Os cálculos identificam ainda diferenças nas falhas (1,1) e (2,1). As suas características eletrónicas são semelhantes às da forma 2H do carboneto de silício, ao passo que a maioria das falhas estudadas apresenta estados semelhantes aos da forma cúbica 3C. Estes resultados relacionam o trabalho de classificação com a explicação mais ampla do artigo sobre a forma como as alterações no empilhamento atómico afetam o comportamento eletrónico e ótico.

Publicação, distinção e próximo passo prático

A investigação foi anunciada em outubro de 2026. As notícias do anúncio do KERI indicam 23 e 25 de outubro como datas do anúncio. O estudo foi dado como publicado a 8 de setembro, enquanto a Acta Materialia o inclui no volume 321, artigo 122747, datado de 1 de dezembro de 2026.

Os principais marcos situam a descoberta mais recente numa investigação que se prolongou por mais de dois anos:

• 1 de junho de 2024: O estudo anterior analisou cerca de 50 000 falhas em 70 pastilhas e pôs em causa várias atribuições de comprimentos de onda aceites.
• 8 de setembro de 2026: O novo estudo da Acta Materialia foi dado como publicado, associando a falha padrão (4,1) aos 459 nanómetros.
• Outubro de 2026: O KERI anunciou os resultados da investigação mais abrangente, que analisou 207 pastilhas e 104 439 falhas.
• 1 de dezembro de 2026: Data atribuída ao volume da Acta Materialia que inclui o artigo.

O projeto recebeu apoio do Projeto de Desenvolvimento de Tecnologias Avançadas para Semicondutores de Potência de Compostos do Ministério do Comércio, Indústria e Energia. O artigo foi aceite sem pedidos de revisão e publicado numa revista descrita como estando entre os 5% melhores da sua área nos Journal Citation Reports.

Na recebeu também uma Menção Honrosa nos Prémios HORIBA Masao de 2026, pelo trabalho de investigação sobre a análise de defeitos no SiC. Segundo o KERI, foi a primeira vez, desde a criação dos prémios em 2004, que um investigador afiliado a uma instituição de investigação coreana recebeu esta distinção.

Para os fabricantes, a tarefa imediata consiste em avaliar como integrar a identificação revista nos procedimentos de inspeção existentes. Uma classificação mais precisa pode ajudar os engenheiros a relacionar os defeitos com as condições de crescimento ou processamento e a decidir que alterações devem testar. O benefício pretendido é tornar mais rigoroso o percurso entre a deteção de um defeito e a compreensão e o controlo da sua causa.

Principais pontos

• A falha de empilhamento padrão (4,1) do tipo Frank no 4H-SiC emite a 459 nanómetros à temperatura ambiente, e não nos 424 nanómetros indicados durante muito tempo.
• A investigação abrangeu 104 439 falhas de empilhamento em 207 pastilhas comerciais de nove fornecedores.
• Os investigadores analisaram 176 amostras ultrafinas e confirmaram a estrutura (4,1) em seis dos nove defeitos selecionados com emissão a 459 nanómetros.
• Os cálculos estimaram uma emissão entre aproximadamente 444 e 450 nanómetros, apoiando um sinal próximo dos 450 nanómetros.
• Um estudo de 2024 já tinha identificado um defeito diferente, a falha única do tipo Shockley (3,1), a 424 nanómetros.
• Os resultados fornecem fundamentos científicos para rever as orientações de inspeção da IEC e melhorar a classificação dos defeitos.
• Na Moonkyung recebeu uma Menção Honrosa nos Prémios HORIBA Masao de 2026.