कोरियाई टीम ने SiC दोष के लिए 459 nm का संकेत खोजा, 15 साल पुराने निरीक्षण मार्गदर्शन को चुनौती

104,439 दोषों से गलत पहचान संकेत का खुलासा

दक्षिण कोरिया की एक शोध टीम ने नौ आपूर्तिकर्ताओं की 207 वाणिज्यिक वेफर में 104,439 स्टैकिंग फॉल्ट की जांच के बाद सिलिकॉन कार्बाइड पावर सेमीकंडक्टर के एक दोष के लिए अलग प्रकाश संकेत की पहचान की है। यह निष्कर्ष IEC 63068-3:2020 में शामिल पहचान मान को संशोधित करने के लिए वैज्ञानिक आधार देता है। यह मानक सेमीकंडक्टर निरीक्षण में इस्तेमाल होने वाला अंतरराष्ट्रीय मानक है।

यह दोष, जिसे मानक (4,1) फ्रैंक-प्रकार स्टैकिंग फॉल्ट के रूप में जाना जाता है, कमरे के तापमान पर 459 नैनोमीटर की विशिष्ट तरंगदैर्घ्य पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। करीब 15 वर्षों तक इसे 424 नैनोमीटर से जोड़ा जाता रहा, और यह मान अंतरराष्ट्रीय विद्युत तकनीकी आयोग के मार्गदर्शन में भी शामिल हो गया था।

कोरिया इलेक्ट्रोटेक्नोलॉजी रिसर्च इंस्टीट्यूट के नेक्स्ट-जेनरेशन सेमीकंडक्टर रिसर्च सेंटर के प्रमुख शोधकर्ता ना मूनक्यंग ने चुंगनाम नेशनल यूनिवर्सिटी में प्रोफेसर होंग सुनकू की टीम, HORIBA STEC Korea, SK siltron और अन्य सहयोगियों के साथ इस काम का नेतृत्व किया। उनकी जांच ने अलग-अलग दोषों से निकलने वाले प्रकाश को उनकी वास्तविक परमाणु संरचनाओं की छवियों से जोड़ा।

टीम का Acta Materialia अध्ययन प्रकाशीय माप, परमाणु संरचनाएं दिखाने में सक्षम माइक्रोस्कोपी और पदार्थ के भीतर इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की गणनाओं को एक साथ जोड़ता है। इन तरीकों से मानक (4,1) फॉल्ट का विशिष्ट संकेत 459 नैनोमीटर निर्धारित हुआ।

इसका व्यावहारिक लक्ष्य इलेक्ट्रिक वाहनों, चार्जरों और नवीकरणीय ऊर्जा उपकरणों में इस्तेमाल होने वाली सामग्रियों का अधिक सटीक निरीक्षण करना है। उत्पादन प्रक्रिया में कारणों का पता लगाने और बदलाव करने से पहले निर्माताओं को यह जानना होता है कि वे कौन-से दोष देख रहे हैं। यह शोध निरीक्षण मार्गदर्शन की समीक्षा का आधार देता है; IEC मानक में औपचारिक बदलाव, कारखानों में इसे अपनाना और उपकरणों की विश्वसनीयता में इससे होने वाले सुधार के लिए अभी और काम की जरूरत है।

परमाणुओं की परतों में छोटा बदलाव क्यों मायने रखता है

सिलिकॉन कार्बाइड, जिसे आम तौर पर SiC कहा जाता है, उन उपकरणों में उपयोगी है जिन्हें उच्च वोल्टेज और तापमान संभालते हुए बिजली नियंत्रित करनी होती है। पावर सेमीकंडक्टर विद्युत शक्ति को स्विच करने और रूपांतरित करने में मदद करते हैं। इनका उपयोग वाहनों के ड्राइव सिस्टम और नवीकरणीय ऊर्जा प्रतिष्ठानों में भी होता है।

वेफर सेमीकंडक्टर सामग्री की एक पतली परत होती है, जिस पर उपकरण बनाए जाते हैं। यह शोध 4H-SiC से संबंधित है, जो सिलिकॉन कार्बाइड का एक रूप है और जिसमें परमाणु एक खास दोहरावदार परत-क्रम में व्यवस्थित होते हैं। एपिटैक्सियल वेफर की सतह पर उपकरण बनाने के लिए एक अतिरिक्त क्रिस्टलीय परत विकसित की जाती है।

जब यह नियमित व्यवस्था बाधित होती है, तो स्टैकिंग फॉल्ट बनते हैं। कुछ में परतें गायब होती हैं या अतिरिक्त जुड़ जाती हैं; अन्य तब बनते हैं जब क्रिस्टल के हिस्से एक-दूसरे के सापेक्ष खिसकते हैं। इसकी तुलना रंगीन शीटों के करीने से लगाए गए ढेर से की जा सकती है: कोई शीट जोड़ने, हटाने या खिसकाने से आसपास का क्रम बदल जाता है।

परमाणुओं की व्यवस्था प्रभावित करती है कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं और ऊर्जा कैसे छोड़ते हैं। इसलिए कोई दोष उपकरण के विद्युत व्यवहार और निरीक्षण के दौरान निकलने वाले प्रकाश, दोनों को बदल सकता है। (4,1) नाम एक खास परत-क्रम का संक्षिप्त संकेत है, दोष के आकार का माप नहीं।

प्रकाश कैसे भ्रामक पहचान-चिह्न बना

फोटोल्यूमिनेसेंस, या PL, निरीक्षण में वेफर पर प्रकाश डाला जाता है और सामग्री से लौटने वाले प्रकाश को मापा जाता है। दोषों से विशिष्ट उत्सर्जन संकेत मिल सकते हैं, जिससे निरीक्षण उपकरण वेफर को तोड़े बिना उनका पता लगा और वर्गीकरण कर सकते हैं।

तरंगदैर्घ्य प्रकाश तरंग के लगातार दो शिखरों के बीच की दूरी को मापती है। एक नैनोमीटर, एक मीटर का एक अरबवां हिस्सा होता है। संशोधित संकेत 459 नैनोमीटर, पुराने मान 424 नैनोमीटर से 35 नैनोमीटर अधिक है। यह पहले की पहचान की तुलना में करीब 8.3 प्रतिशत का अंतर है।

अलग-अलग परमाणु दोषों से करीब-करीब समान तरंगदैर्घ्य पर प्रकाश निकल सकता है। इसलिए निरीक्षण प्रणाली को हर प्रकाशीय संकेत और उसे पैदा करने वाली संरचना के बीच भरोसेमंद संबंध की जरूरत होती है। अगर यह संबंध गलत हो, तो उपकरण किसी वास्तविक दोष का पता तो लगा सकता है, लेकिन उसे गलत नाम दे सकता है।

पहले 424 नैनोमीटर को इस दोष से जोड़ने की पहचान स्थापित हो गई थी, लेकिन उसमें नए अध्ययन जैसी प्रकाशीय संकेतों और परमाणु संरचनाओं की प्रत्यक्ष तुलना नहीं की गई थी। शोधकर्ताओं ने प्रकाश मापे जाने वाले ठीक उन्हीं स्थानों की फिर से जांच करके इस समस्या का समाधान किया।

पूरे वेफर से अलग-अलग परमाणु परतों तक

टीम ने 207 वाणिज्यिक वेफर के व्यापक सर्वेक्षण से शुरुआत की। इस संग्रह ने एक छोटे शोध नमूने के सीमित क्षेत्र के बजाय नौ आपूर्तिकर्ताओं की सामग्रियों का व्यापक परिप्रेक्ष्य दिया। वाणिज्यिक सामग्री में फ्रैंक-प्रकार के स्टैकिंग फॉल्ट एक महत्वपूर्ण दोष समूह के रूप में सामने आए।

इसके बाद शोधकर्ताओं ने अधिक बारीकी से जांचने के लिए अलग-अलग दोष चुने। PL माप से उनके स्थान और उत्सर्जन तरंगदैर्घ्य दर्ज करने के बाद, उन्होंने उन्हीं स्थानों से बेहद पतले नमूने तैयार करने के लिए केंद्रित आयन बीम का इस्तेमाल किया। पूरी जांच में उन्होंने फ्रैंक-प्रकार, शॉक्ली-प्रकार और अन्य स्टैकिंग फॉल्ट संरचनाओं वाले 176 नमूनों की जांच की।

उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीक, जिसका संक्षिप्त नाम HAADF HR-STEM है, ने परमाणु संरचनाएं उजागर कीं। इसका पूरा नाम हाई-एंगल एन्युलर डार्क-फील्ड हाई-रिजॉल्यूशन स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी है। सरल शब्दों में, यह बेहद पतले नमूने से इलेक्ट्रॉन गुजारती है और बिखरे हुए इलेक्ट्रॉनों से इतनी बारीक छवि बनाती है कि परमाणुओं के स्तंभों में फर्क किया जा सके।

लक्षित जांच में 459 नैनोमीटर पर प्रकाश उत्सर्जित करने वाले नौ स्वतंत्र दोष शामिल थे। शोधकर्ताओं ने इनमें से छह में वास्तविक (4,1) परमाणु संरचना की पुष्टि की। मापे गए प्रकाश संकेत और दिखाई देने वाली परत-व्यवस्था के बीच इस प्रत्यक्ष संबंध ने संशोधित पहचान के लिए प्रायोगिक आधार दिया।

परियोजना का नेतृत्व करने वाले KERI के प्रमुख शोधकर्ता ना ने दोनों मापों को जोड़ने के महत्व के बारे में कहा:

यह महत्वपूर्ण है कि हमने प्रकाश संकेतों को वास्तविक परमाणु संरचनाओं से सीधे जोड़कर लंबे समय से स्वीकृत वैश्विक पहचान मानक की एक त्रुटि सुधारी।

सुपरकंप्यूटर की गणनाओं से क्या पता चला

शोधकर्ताओं ने दोषों के गुणों की गणना के लिए घनत्व फलन सिद्धांत, या DFT, का भी इस्तेमाल किया। DFT एक ऐसी विधि है जिससे अनुमान लगाया जाता है कि किसी पदार्थ में इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं। इससे शोधकर्ताओं को परमाणु व्यवस्था को उसके ऊर्जा स्तरों और संभावित प्रकाशीय संकेतों से जोड़ने में मदद मिलती है।

तीन सैद्धांतिक गणना विधियों से संबंधित उत्सर्जन लगभग 444 से 450 नैनोमीटर के बीच पाया गया। कमरे के तापमान पर मापी गई तरंगदैर्घ्य 459 नैनोमीटर थी। इस तरह गणनाओं ने लंबे समय से इस्तेमाल हो रही 424 नैनोमीटर की पहचान के बजाय लगभग 450 नैनोमीटर पर उत्सर्जन का समर्थन किया, हालांकि प्रयोगशाला माप से संख्यात्मक अंतर बना रहा।

शोधपत्र इन गणनाओं को माइक्रोस्कोपी और PL स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ प्रस्तुत करता है। PL स्पेक्ट्रोस्कोपी अलग-अलग तरंगदैर्घ्य पर पदार्थ से निकलने वाले प्रकाश की तीव्रता मापती है। प्रयोग से मिले माप के आधार पर निरीक्षण के लिए 459 नैनोमीटर का मान तय होता है, जबकि गणनाएं संरचना और प्रकाश के संबंध की पड़ताल का एक और तरीका देती हैं।

व्यापक गणनाओं में स्टैकिंग फॉल्ट की ऊर्जाओं और इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचनाओं की तुलना भी की गई है। फॉल्ट ऊर्जा क्रिस्टल में किसी खास व्यवधान की ऊर्जात्मक लागत बताती है। इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना उन ऊर्जा स्तरों का वर्णन करती है जिन पर इलेक्ट्रॉन रह सकते हैं, और इससे समझने में मदद मिलती है कि अलग-अलग दोषों का प्रकाशीय व्यवहार क्यों अलग होता है।

2024 के अध्ययन ने पहले ही पुरानी पहचान पर सवाल उठाए थे

Materials Science in Semiconductor Processing में 1 जून, 2024 को प्रकाशित एक पुराने वेफर निरीक्षण अध्ययन में 70 वाणिज्यिक वेफर के करीब 50,000 स्टैकिंग फॉल्ट की जांच की गई थी। उसमें भी प्रकाशीय मापों को चुनी हुई परमाणु संरचनाओं की प्रत्यक्ष जांच के साथ जोड़ा गया था।

उस जांच में 424 नैनोमीटर पर एक अकेला शॉक्ली-प्रकार (3,1) स्टैकिंग फॉल्ट मिला। पहले यही तरंगदैर्घ्य फ्रैंक-प्रकार (4,1) दोष से जोड़ी जाती थी। शोधकर्ताओं ने 420 से 430 नैनोमीटर के बीच उत्सर्जन करने वाले दोषों की तलाश की, लेकिन वहां अपेक्षित (4,1) संरचना नहीं देखी।

2024 के शोध में अंतर्निहित फ्रैंक-प्रकार (5,2) फॉल्ट का विशिष्ट संकेत भी 488 नैनोमीटर के पहले प्रकाशित मान के बजाय 482 से 484 नैनोमीटर बताया गया। इस सीमा में जांची गई संरचनाएं मुख्य रूप से (5,2) फॉल्ट थीं, न कि ट्रिपल शॉक्ली-प्रकार (5,3) फॉल्ट, जैसा कि पुरानी तरंगदैर्घ्य पहचान से संकेत मिलता था। उस सर्वेक्षण में कोई (5,3) फॉल्ट नहीं देखा गया।

पास-पास के अन्य संकेतों को भी अलग करना आसान हुआ: अध्ययन में मल्टीलेयर फ्रैंक-प्रकार (4,2) फॉल्ट 457 नैनोमीटर पर और क्वाड्रपल शॉक्ली-प्रकार (4,4) फॉल्ट 462 नैनोमीटर पर मापे गए। सटीक अंशांकन और प्रत्यक्ष संरचनात्मक जांच से उन दोषों में अंतर करने में मदद मिली, जिनके प्रकाश संकेतों के बीच केवल कुछ नैनोमीटर का अंतर है।

नए सर्वेक्षण में लगभग तीन गुना अधिक वेफर शामिल हैं: 70 के मुकाबले 207। दर्ज फॉल्ट की संख्या भी दोगुने से कुछ अधिक है: करीब 50,000 के मुकाबले 104,439। प्रगति का एक खास पहलू यह भी है: पहले की खोज में 424 नैनोमीटर के आसपास अपेक्षित (4,1) संरचना नहीं मिली थी, जबकि नई जांच इसे 459 नैनोमीटर से जोड़ती है।

शोधपत्र में फॉल्ट के वर्गीकरण को भी संशोधित किया गया

Acta Materialia का यह शोधपत्र सिर्फ एक तरंगदैर्घ्य को बदलने तक सीमित नहीं है। इसमें फ्रैंक-प्रकार के स्टैकिंग फॉल्ट को अंतर्निहित या बहिर्निहित के रूप में वर्गीकृत करने के तरीके की भी पुनर्समीक्षा की गई है। ये शब्द आसपास की क्रिस्टल संरचना से उनके संबंध का वर्णन करते हैं।

फ्रैंक की मूल क्रिस्टल-विज्ञान संबंधी परिभाषा लागू करते हुए, लेखक व्यापक रूप से चर्चित (3,2) फॉल्ट को अंतर्निहित वर्गीकृत करते हैं, जबकि इसके बनने में एक परत का जुड़ना शामिल है। वर्गीकरण क्रिस्टल की परिणामी व्यवस्था पर निर्भर करता है, जबकि बनने की प्रक्रिया बताती है कि वह व्यवस्था कैसे विकसित हुई।

परमाणु स्तर पर किए गए अवलोकन मानक (5,2), (4,2) और (4,1) फॉल्ट के बीच संरचनात्मक संबंध भी दिखाते हैं। ये अवलोकन एक ऐसे संभावित मार्ग का समर्थन करते हैं जिसके जरिए एक संरचना दूसरी में बदल सकती है। ऐसे संबंधों को समझने से शोधकर्ताओं को यह पता लगाने में मदद मिल सकती है कि सामग्री की वृद्धि या प्रसंस्करण के दौरान कोई खास दोष क्यों बनता है।

लेखकों ने पाया कि गैर-मानक फॉल्ट में एक जैसे झदानोव संकेतांकन, यानी परत-क्रम बताने वाले संख्यात्मक लेबल, अंतर्निहित या बहिर्निहित दोनों तरह की संरचनाओं को दर्शा सकते हैं। इसलिए उस लेबल का अर्थ समझने के लिए आसपास की क्रिस्टल-विज्ञान संबंधी व्यवस्था जानना जरूरी है।

गणनाओं में (1,1) और (2,1) फॉल्ट के बीच और अंतर भी सामने आए। उनकी इलेक्ट्रॉनिक विशेषताएं सिलिकॉन कार्बाइड के 2H रूप से मिलती-जुलती हैं, जबकि अध्ययन किए गए अधिकांश फॉल्ट में क्यूबिक 3C रूप जैसी अवस्थाएं दिखती हैं। ये नतीजे वर्गीकरण के काम को इस शोधपत्र की व्यापक व्याख्या से जोड़ते हैं कि परमाणुओं की परत-व्यवस्था बदलने से इलेक्ट्रॉनिक और प्रकाशीय व्यवहार कैसे बदलता है।

प्रकाशन, सम्मान और अगला व्यावहारिक कदम

इस शोध की घोषणा अक्टूबर 2026 में की गई थी। KERI की घोषणा पर आधारित विवरणों में 23 और 25 अक्टूबर को घोषणा की तारीख बताया गया है। अध्ययन 8 सितंबर को प्रकाशित बताया गया, जबकि Acta Materialia में इसे खंड 321, लेख 122747 के रूप में 1 दिसंबर, 2026 की तारीख के साथ सूचीबद्ध किया गया है।

मुख्य पड़ाव दो साल से अधिक समय तक चले शोध प्रयास के भीतर इस नवीनतम निष्कर्ष को रखते हैं:

• 1 जून, 2024: पहले के अध्ययन में 70 वेफर के करीब 50,000 फॉल्ट की जांच की गई और कई स्वीकृत तरंगदैर्घ्य पहचानों को चुनौती दी गई।
• 8 सितंबर, 2026: नए Acta Materialia अध्ययन के प्रकाशित होने की खबर आई। इसमें मानक (4,1) फॉल्ट को 459 नैनोमीटर से जोड़ा गया।
• अक्टूबर 2026: KERI ने 207 वेफर और 104,439 फॉल्ट की व्यापक जांच के निष्कर्षों की घोषणा की।
• 1 दिसंबर, 2026: यह Acta Materialia खंड की तारीख है, जिसमें शोधपत्र शामिल है।

इस परियोजना को उद्योग और व्यापार मंत्रालय की कंपाउंड पावर सेमीकंडक्टर एडवांसमेंट टेक्नोलॉजी डेवलपमेंट परियोजना से सहायता मिली। शोधपत्र को संशोधन के अनुरोध के बिना स्वीकार किया गया और यह Journal Citation Reports में अपने क्षेत्र के शीर्ष 5 प्रतिशत में बताए गए जर्नल में प्रकाशित हुआ।

SiC दोष विश्लेषण पर शोध के लिए ना को 2026 HORIBA Masao Award में माननीय उल्लेख भी मिला। KERI के अनुसार, 2004 में पुरस्कार शुरू होने के बाद किसी कोरियाई शोध संस्थान से जुड़े शोधकर्ता को इस पुरस्कार में पहली बार यह सम्मान मिला।

निर्माताओं के लिए तात्कालिक काम यह आकलन करना है कि संशोधित पहचान मौजूदा निरीक्षण प्रक्रियाओं के साथ कैसे लागू होगी। बेहतर वर्गीकरण से इंजीनियर दोषों को वृद्धि या प्रसंस्करण की स्थितियों से जोड़ सकते हैं और तय कर सकते हैं कि किन बदलावों का परीक्षण करना है। इसका अपेक्षित लाभ है दोष का पता लगाने से लेकर उसके कारण को समझने और नियंत्रित करने तक अधिक सटीक रास्ता।

मुख्य बातें

• 4H-SiC में मानक (4,1) फ्रैंक-प्रकार स्टैकिंग फॉल्ट कमरे के तापमान पर 459 नैनोमीटर पर प्रकाश उत्सर्जित करता है, न कि लंबे समय से माने जा रहे 424 नैनोमीटर पर।
• जांच में नौ आपूर्तिकर्ताओं की 207 वाणिज्यिक वेफर के 104,439 स्टैकिंग फॉल्ट शामिल थे।
• शोधकर्ताओं ने 176 अति-पतले नमूनों की जांच की और 459 नैनोमीटर पर उत्सर्जन करने वाले लक्षित नौ दोषों में से छह में (4,1) संरचना की पुष्टि की।
• गणनाओं में उत्सर्जन का अनुमान लगभग 444 से 450 नैनोमीटर लगाया गया, जो करीब 450 नैनोमीटर के संकेत का समर्थन करता है।
• 2024 के एक अध्ययन में पहले ही एक अलग दोष, अकेले शॉक्ली-प्रकार (3,1) फॉल्ट, की पहचान 424 नैनोमीटर पर की गई थी।
• ये निष्कर्ष IEC के निरीक्षण मार्गदर्शन की समीक्षा और दोषों के बेहतर वर्गीकरण के लिए वैज्ञानिक आधार देते हैं।
• ना मूनक्यंग को 2026 HORIBA Masao Award में माननीय उल्लेख मिला।