104 439 défauts révèlent une erreur d’identification
Une équipe de recherche sud-coréenne a identifié un signal lumineux différent pour un défaut des semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium, après avoir examiné 104 439 fautes d’empilement réparties sur 207 plaquettes commerciales provenant de neuf fournisseurs. Cette découverte apporte des bases scientifiques à la révision d’une valeur d’identification figurant dans la norme internationale IEC 63068-3:2020, utilisée pour l’inspection des semi-conducteurs.
Sommaire
- 104 439 défauts révèlent une erreur d’identification
- Pourquoi un infime changement dans l’empilement atomique compte
- Comment la lumière est devenue une empreinte trompeuse
- Des plaquettes entières aux couches atomiques individuelles
- Ce que les calculs sur superordinateur ont révélé
- Une étude de 2024 avait déjà remis en question l’ancienne cartographie
- L’article révise aussi la classification des fautes
- Publication, distinctions et prochaines étapes concrètes
- À retenir
Ce défaut, appelé faute d’empilement de type Frank standard (4,1), émet à température ambiante une lumière d’une longueur d’onde caractéristique de 459 nanomètres. Depuis environ 15 ans, il était associé à une longueur d’onde de 424 nanomètres, valeur reprise dans les recommandations de la Commission électrotechnique internationale.
Na Moonkyung, chercheur principal au Centre de recherche sur les semi-conducteurs de nouvelle génération de l’Institut coréen de recherche en électrotechnologie, a dirigé ces travaux avec l’équipe du professeur Hong Soonkoo, de l’Université nationale de Chungnam, HORIBA STEC Korea, SK siltron et d’autres collaborateurs. Leur étude a établi un lien entre la lumière émise par des défauts individuels et des images de leur véritable structure atomique.
L’étude publiée dans Acta Materialia associe des mesures optiques, une microscopie permettant de visualiser les structures atomiques et des calculs sur le comportement des électrons dans le matériau. Ces méthodes convergent pour établir que 459 nanomètres est le signal caractéristique de la faute standard (4,1).
L’objectif pratique est d’améliorer la précision de l’inspection des matériaux utilisés dans les véhicules électriques, les chargeurs et les équipements d’énergies renouvelables. Les fabricants doivent savoir quels défauts ils observent avant de pouvoir en déterminer les causes et ajuster la production. Ces travaux fournissent une base pour réviser les recommandations d’inspection ; la modification formelle de la norme IEC, son adoption dans les usines et les éventuelles améliorations de la fiabilité des dispositifs nécessitent encore des travaux supplémentaires.
Pourquoi un infime changement dans l’empilement atomique compte
Le carbure de silicium, généralement abrégé en SiC, est utile dans les équipements qui doivent contrôler l’électricité tout en supportant des tensions et des températures élevées. Les semi-conducteurs de puissance servent à commuter et à convertir l’énergie électrique, notamment dans les systèmes de propulsion des véhicules et les installations d’énergies renouvelables.
Une plaquette est une fine tranche de matériau semi-conducteur sur laquelle sont fabriqués des dispositifs. Cette étude porte sur le 4H-SiC, une forme de carbure de silicium dont les atomes suivent un motif d’empilement périodique particulier. Une plaquette épitaxiée comporte une couche cristalline supplémentaire, formée à sa surface, qui sert à fabriquer des dispositifs.
Les fautes d’empilement apparaissent lorsque cet agencement régulier est interrompu. Certaines correspondent à des couches manquantes ou insérées ; d’autres se forment lorsque des parties du cristal glissent les unes par rapport aux autres. On peut les comparer à une pile ordonnée de feuilles colorées : en ajouter, en retirer ou en déplacer une modifie le motif environnant.
L’agencement atomique influe sur le déplacement des électrons et la libération d’énergie. Un défaut peut donc modifier à la fois le comportement électrique d’un dispositif et la lumière émise lors de l’inspection. La désignation (4,1) correspond à une séquence d’empilement particulière, et non à une mesure de la taille du défaut.
Comment la lumière est devenue une empreinte trompeuse
L’inspection par photoluminescence, ou PL, consiste à éclairer une plaquette et à mesurer la lumière renvoyée par le matériau. Les défauts peuvent produire des signaux d’émission caractéristiques, ce qui permet aux équipements d’inspection de les localiser et de les classer sans endommager la plaquette.
La longueur d’onde mesure la distance entre deux crêtes successives d’une onde lumineuse. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. Le signal révisé, à 459 nanomètres, est supérieur de 35 nanomètres à l’ancienne valeur de 424 nanomètres, soit un écart d’environ 8,3 % par rapport à la valeur précédemment attribuée.
Des défauts atomiques différents peuvent émettre à des longueurs d’onde proches. Un système d’inspection doit donc établir un lien fiable entre chaque signal optique et la structure qui le produit. Si ce lien est erroné, l’équipement peut détecter un défaut réel tout en lui attribuant la mauvaise identité.
L’attribution antérieure de 424 nanomètres s’était imposée sans rapprochement direct des signaux optiques et des structures atomiques comparable à celui réalisé dans la nouvelle étude. Les chercheurs ont remédié au problème en revenant précisément aux endroits où la lumière avait été mesurée.
Des plaquettes entières aux couches atomiques individuelles
L’équipe a commencé par étudier un vaste échantillon de 207 plaquettes commerciales. Cet ensemble offrait une vue d’ensemble de neuf fournisseurs, au lieu de se limiter à une petite zone d’un seul échantillon de laboratoire. Les fautes d’empilement de type Frank se sont révélées constituer un groupe important de défauts dans les matériaux commerciaux.
Les chercheurs ont ensuite sélectionné des défauts individuels pour les examiner de plus près. Après avoir relevé leur position et leur longueur d’onde d’émission par des mesures de PL, ils ont utilisé un faisceau d’ions focalisé pour préparer des échantillons extrêmement minces aux mêmes endroits. Au total, l’étude a porté sur 176 échantillons contenant des structures de fautes d’empilement de type Frank, de type Shockley et d’autres types.
Une technique avancée de microscopie électronique, abrégée en HAADF HR-STEM, a révélé les agencements atomiques. Son nom complet est « microscopie électronique en transmission à balayage haute résolution en champ sombre annulaire à grand angle ». En termes simples, elle fait traverser un échantillon très mince par des électrons et utilise ceux qui sont diffusés pour produire une image suffisamment détaillée pour distinguer les colonnes d’atomes.
L’étude ciblée comprenait neuf défauts indépendants émettant à 459 nanomètres. Les chercheurs ont confirmé la structure atomique réelle (4,1) dans six d’entre eux. Ce lien direct entre un signal lumineux mesuré et un agencement atomique visible a fourni le fondement expérimental de la nouvelle attribution.
Na, chercheur principal au KERI et responsable du projet, a souligné l’importance de relier ces deux mesures :
Il est important d’avoir corrigé une erreur dans une norme mondiale d’identification admise depuis longtemps, en reliant directement les signaux lumineux aux structures atomiques réelles.
Ce que les calculs sur superordinateur ont révélé
Les chercheurs ont également utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité, ou DFT, pour calculer les propriétés des défauts. La DFT est une méthode permettant d’estimer le comportement des électrons dans un matériau ; elle aide à relier un agencement atomique à ses niveaux d’énergie et à ses signaux optiques possibles.
Trois méthodes de calcul théorique ont situé l’émission concernée entre environ 444 et 450 nanomètres. La longueur d’onde mesurée à température ambiante était de 459 nanomètres. Les calculs privilégient donc une émission proche de 450 nanomètres plutôt que l’ancienne attribution de 424 nanomètres, tout en laissant subsister un écart avec la mesure en laboratoire.
L’article associe ces calculs à la microscopie et à la spectroscopie de PL, qui mesure l’intensité d’émission du matériau à différentes longueurs d’onde. La mesure expérimentale fournit la valeur de 459 nanomètres pour l’inspection, tandis que les calculs offrent un autre moyen d’étudier le lien entre structure et lumière.
Les calculs plus généraux comparent également les énergies des fautes d’empilement et les structures de bandes électroniques. L’énergie de faute décrit le coût énergétique d’une interruption particulière dans le cristal. La structure de bandes électroniques décrit les niveaux d’énergie accessibles aux électrons et aide à expliquer pourquoi les différents défauts ont des comportements optiques différents.
Une étude de 2024 avait déjà remis en question l’ancienne cartographie
Une précédente étude sur l’inspection de plaquettes, publiée le 1er juin 2024 dans Materials Science in Semiconductor Processing, avait examiné environ 50 000 fautes d’empilement sur 70 plaquettes commerciales. Elle associait elle aussi des mesures optiques à l’examen direct de certaines structures atomiques.
Cette étude avait détecté une seule faute d’empilement de type Shockley (3,1) à 424 nanomètres, longueur d’onde précédemment associée au défaut de type Frank (4,1). Les chercheurs avaient examiné des défauts émettant entre 420 et 430 nanomètres, sans y observer la structure (4,1) attendue.
Les travaux de 2024 avaient également réattribué le signal caractéristique des fautes intrinsèques de type Frank (5,2) à une plage de 482 à 484 nanomètres, au lieu des 488 nanomètres précédemment rapportés. Les structures examinées dans cette plage étaient majoritairement des fautes (5,2), et non des fautes triples de type Shockley (5,3), comme le suggéraient les anciennes attributions de longueurs d’onde. Aucune faute (5,3) n’avait été observée lors de cette étude.
D’autres signaux voisins ont ainsi pu être mieux distingués : l’étude a mesuré les fautes multicouches de type Frank (4,2) à 457 nanomètres et les fautes quadruples de type Shockley (4,4) à 462 nanomètres. Un étalonnage précis et des vérifications directes des structures ont aidé à distinguer des défauts dont les signaux lumineux ne sont séparés que de quelques nanomètres.
La nouvelle étude porte sur près de trois fois plus de plaquettes, 207 contre 70, et un peu plus de deux fois plus de fautes recensées, 104 439 contre environ 50 000. Son apport est également précis : après l’échec de la précédente étude à trouver la structure (4,1) attendue près de 424 nanomètres, les nouveaux travaux l’associent à 459 nanomètres.
L’article révise aussi la classification des fautes
L’article d’Acta Materialia ne se limite pas à remplacer une longueur d’onde. Il réexamine la classification des fautes d’empilement de type Frank en fautes intrinsèques ou extrinsèques, des termes qui décrivent leur relation avec la structure cristalline environnante.
En appliquant la définition cristallographique originale de Frank, les auteurs classent la faute (3,2), souvent étudiée, comme intrinsèque, même si sa formation implique une insertion. La classification dépend de l’agencement final du cristal, tandis que le processus de formation décrit comment cet agencement s’est constitué.
Les observations atomiques révèlent également des liens structurels entre les fautes standard (5,2), (4,2) et (4,1). Elles étayent l’une des voies possibles par lesquelles ces structures pourraient évoluer de l’une à l’autre. Comprendre ces liens pourrait aider les chercheurs à déterminer pourquoi un défaut donné apparaît pendant la croissance ou le traitement du matériau.
Les auteurs ont constaté que des notations de Zhdanov identiques, les étiquettes numériques servant à décrire les séquences d’empilement, peuvent désigner des configurations intrinsèques ou extrinsèques parmi les fautes non standard. Il faut donc tenir compte de l’agencement cristallographique environnant pour interpréter ces notations.
Les calculs mettent en évidence d’autres différences dans les fautes (1,1) et (2,1). Leurs caractéristiques électroniques ressemblent à celles de la forme 2H du carbure de silicium, tandis que la plupart des fautes étudiées présentent des états proches de la forme cubique 3C. Ces résultats relient les travaux de classification à l’explication plus générale de l’article sur la façon dont les changements d’empilement atomique modifient le comportement électronique et optique.
Publication, distinctions et prochaines étapes concrètes
Les résultats ont été annoncés en octobre 2026. Les comptes rendus de l’annonce du KERI indiquent les 23 et 25 octobre comme dates de l’annonce. L’étude a été présentée comme publiée le 8 septembre, tandis qu’Acta Materialia la rattache au volume 321, article 122747, daté du 1er décembre 2026.
Les principales étapes inscrivent cette découverte dans des travaux de recherche menés sur plus de deux ans :
- 1er juin 2024 : L’étude précédente a examiné environ 50 000 fautes sur 70 plaquettes et remis en question plusieurs attributions de longueurs d’onde admises.
- 8 septembre 2026 : La publication de la nouvelle étude dans Acta Materialia a été annoncée ; elle associe la faute standard (4,1) à 459 nanomètres.
- Octobre 2026 : Le KERI a annoncé les résultats de cette étude plus vaste, portant sur 207 plaquettes et 104 439 fautes.
- 1er décembre 2026 : Date attribuée au volume d’Acta Materialia qui contient l’article.
Le projet a bénéficié du soutien du programme de développement de technologies de pointe pour les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite du ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie. L’article a été accepté sans demande de révision et a paru dans une revue présentée comme faisant partie des 5 % les mieux classées de son domaine selon les Journal Citation Reports.
Na a également reçu une mention honorable lors du prix HORIBA Masao 2026 pour ses travaux sur l’analyse des défauts du SiC. Selon le KERI, il s’agit de la première distinction attribuée dans le cadre de ces prix à un chercheur affilié à un institut de recherche coréen depuis leur création en 2004.
Pour les fabricants, la prochaine étape consiste à déterminer comment intégrer cette identification révisée aux procédures d’inspection existantes. Une meilleure classification peut aider les ingénieurs à relier les défauts aux conditions de croissance ou de traitement et à choisir les modifications à tester. L’objectif est de mieux passer de la détection d’un défaut à la compréhension et à la maîtrise de sa cause.
À retenir
- À température ambiante, la faute d’empilement standard de type Frank (4,1) dans le 4H-SiC émet à 459 nanomètres, et non à la longueur d’onde de 424 nanomètres retenue depuis longtemps.
- L’étude a porté sur 104 439 fautes d’empilement réparties sur 207 plaquettes commerciales provenant de neuf fournisseurs.
- Les chercheurs ont examiné 176 échantillons ultraminces et confirmé la structure (4,1) dans six des neuf défauts ciblés émettant à 459 nanomètres.
- Les calculs situent l’émission entre environ 444 et 450 nanomètres, ce qui étaye l’existence d’un signal proche de 450 nanomètres.
- Une étude de 2024 avait déjà identifié un défaut différent, la faute simple de type Shockley (3,1), à 424 nanomètres.
- Ces résultats fournissent des bases scientifiques pour réexaminer les recommandations d’inspection de l’IEC et améliorer la classification des défauts.
- Na Moonkyung a reçu une mention honorable lors du prix HORIBA Masao 2026.
