10万4,439件の欠陥が誤った識別信号の判明につながる
韓国の研究チームは、9社の供給元から集めた市販ウエハー207枚に含まれる積層欠陥10万4,439件を調べ、炭化ケイ素パワー半導体の欠陥を示す別の光信号を特定した。この発見は、半導体検査で使われる国際規格IEC 63068-3:2020に記載された識別値を改定するための科学的根拠となる。
目次
標準型（4,1）フランク型積層欠陥として知られるこの欠陥は、室温で波長459ナノメートルの特性発光を示す。約15年間、国際電気標準会議（IEC）の指針にも採用された424ナノメートルという値と結び付けられていた。
韓国電気研究院（KERI）次世代半導体研究センターの主任研究員、羅文慶（ナ・ムンギョン）が研究を主導し、忠南大学の洪淳九（ホン・スング）教授のチーム、HORIBA STEC Korea、SKシルトロンなどが協力した。研究チームは、個々の欠陥から出る光を、実際の原子配列を示す画像と結び付けた。
研究チームのActa Materialia掲載論文は、光学測定、原子構造を観察できる顕微鏡、材料内の電子の挙動に関する計算を組み合わせた。これらの手法を総合し、標準型（4,1）欠陥の特性信号が459ナノメートルであると特定した。
実用面での目標は、電気自動車、充電器、再生可能エネルギー設備に使われる材料の検査精度を高めることだ。メーカーが欠陥の原因を追跡し、生産工程を調整するには、まずどの欠陥を見ているのかを把握する必要がある。今回の研究は検査指針を見直す根拠を示すものだが、IEC規格の正式な改定、工場での採用、装置の信頼性向上につなげるには、なおさらなる取り組みが必要となる。
原子の積み重なりのわずかな変化が重要な理由
炭化ケイ素（SiC）は、高電圧や高温に対応しながら電力を制御する必要がある装置に有用な材料だ。パワー半導体は、車両の駆動システムや再生可能エネルギー設備などで、電力のスイッチングや変換を担う。
ウエハーとは、半導体デバイスを作る薄い材料片のことだ。この研究の対象は4H-SiCで、原子が特定の周期的な積層パターンをとる炭化ケイ素の一種である。エピタキシャルウエハーは、デバイス製造のため、表面に結晶層を追加成長させたウエハーを指す。
積層欠陥は、この規則的な配列が乱れることで生じる。層の欠落や挿入によるものもあれば、結晶の一部が互いにずれてできるものもある。色分けされたシートをきちんと積み重ねた状態に例えると、シートを加えたり、取り除いたり、ずらしたりすると、その周囲のパターンが変わる。
原子配列は、電子の移動やエネルギーの放出に影響する。そのため、欠陥はデバイスの電気的挙動だけでなく、検査時に放出される光も変化させる。（4,1）という表記は特定の積層順序を示す略号であり、欠陥の大きさを測る値ではない。
光が誤解を招く指紋となった経緯
フォトルミネッセンス（PL）検査では、ウエハーに光を当て、材料から戻ってくる光を測定する。欠陥は特有の発光信号を生じる場合があり、ウエハーを壊さずに検査装置で位置を特定し、分類できる。
波長は、光の波の連続する山の間の距離を示す。1ナノメートルは10億分の1メートルだ。改定される信号値の459ナノメートルは、従来値の424ナノメートルより35ナノメートル長く、以前の値に対して約8.3％の差がある。
原子欠陥の種類が異なっても、近い波長の光を出すことがある。そのため、検査システムには、それぞれの光信号と、それを生じさせる構造との確かな対応付けが必要だ。この対応が誤っていれば、装置は実在する欠陥を検出しても、誤った名称を付けるおそれがある。
従来の424ナノメートルという値は、今回の研究で行われたような、光信号と原子構造の直接的な照合を経ずに定着していた。研究チームは、光を測定した正確な位置に立ち戻ることで、この問題に取り組んだ。
ウエハー全体から個々の原子層へ
研究チームはまず、市販ウエハー207枚を対象とする広範な調査を行った。この試料群により、単一の研究用試料の狭い範囲ではなく、9社の供給元にまたがる状況を把握できた。市販材料では、フランク型積層欠陥が重要な欠陥群として浮かび上がった。
続いて研究者らは、詳しく調べる個々の欠陥を選んだ。PL測定で位置と発光波長を記録した後、集束イオンビームを使い、同じ位置から極薄試料を作製した。研究全体では、フランク型、ショックレー型などの積層欠陥構造を含む試料176点を調べた。
HAADF HR-STEMと略される先進的な電子顕微鏡技術で、原子配列を観察した。正式名称は、高角度環状暗視野高分解能走査透過電子顕微鏡法である。簡単に言えば、極薄試料に電子を通し、散乱した電子を利用して、原子列を見分けられるほど詳細な画像を作る手法だ。
対象を絞った調査では、459ナノメートルの発光を示す独立した欠陥を9個調べた。そのうち6個で実際の（4,1）原子構造を確認した。測定した光信号と目で確認できる積層配列との直接的な結び付きが、値を改定する実験的な根拠となった。
研究を主導したKERIの主任研究員、羅氏は、2つの測定を結び付ける意義について次のように述べた。
長年受け入れられてきた国際的な識別規格の誤りを、光信号と実際の原子構造を直接結び付けることで訂正できたことは重要です。
スーパーコンピューターによる計算で分かったこと
研究者らは、密度汎関数理論（DFT）を使って欠陥の特性も計算した。DFTは、材料内の電子の挙動を推定する手法であり、原子配列をエネルギー準位や発生し得る光信号と結び付けるのに役立つ。
3種類の理論計算手法は、該当する発光波長をおよそ444～450ナノメートルと推定した。室温での実測値は459ナノメートルだった。したがって計算結果は、長く使われてきた424ナノメートルという値よりも、450ナノメートル付近の発光を支持した。ただし、実験値との間には数値上の差が残る。
論文では、これらの計算に顕微鏡観察とPL分光法を組み合わせている。PL分光法は、材料が異なる波長でどの程度強く発光するかを測定する手法だ。実験測定は検査に用いる459ナノメートルという値を示し、計算は構造と光の関係を検証する別の手段を提供する。
より広範な計算では、積層欠陥のエネルギーと電子バンド構造も比較した。欠陥エネルギーは、結晶に特定の乱れが生じるために必要なエネルギーを表す。電子バンド構造は、電子が取り得るエネルギーを示し、欠陥の種類によって光学的挙動が異なる理由の説明に役立つ。
2024年の研究もすでに従来の対応関係に疑問を投げかけていた
2024年6月1日にMaterials Science in Semiconductor Processing誌で発表された先行のウエハー検査研究は、市販ウエハー70枚に含まれる約5万件の積層欠陥を調べた。この研究も光学測定と、選定した原子構造の直接観察を組み合わせていた。
この調査では、従来フランク型（4,1）欠陥に結び付けられていた波長424ナノメートルで、単一のショックレー型（3,1）積層欠陥が見つかった。研究者らは420～430ナノメートルの発光を示す欠陥を調べたが、その範囲では想定されていた（4,1）構造を確認できなかった。
2024年の研究は、固有フランク型（5,2）欠陥の特性信号も、従来報告されていた488ナノメートルではなく482～484ナノメートルに改めた。この波長範囲で調べた構造の大半は（5,3）型の三重ショックレー欠陥ではなく、（5,2）欠陥だった。調査では（5,3）欠陥は確認されなかった。
これにより、近接するほかの信号も区別しやすくなった。同研究では、多層フランク型（4,2）欠陥は457ナノメートル、四重ショックレー型（4,4）欠陥は462ナノメートルで測定された。正確な較正と構造の直接確認により、わずか数ナノメートルしか離れていない光信号を持つ欠陥の識別に役立った。
新しい調査は、ウエハー数で70枚から207枚へとほぼ3倍に、記録した欠陥数で約5万件から10万4,439件へと2倍強に規模を拡大した。今回の進展は、さらに具体的な点にもある。先行研究では424ナノメートル付近で想定された（4,1）構造が見つからなかったが、新たな調査でその構造を459ナノメートルと結び付けた。
論文は欠陥の分類方法も見直す
Acta Materialia掲載論文は、波長を1つ置き換えるだけにとどまらない。周囲の結晶構造との関係を示す「固有」と「外因性」という用語を用いた、フランク型積層欠陥の分類方法も再検討している。
著者らは、フランクの本来の結晶学的定義を適用し、広く議論されてきた（3,2）欠陥を、形成過程で挿入が起きるにもかかわらず、固有欠陥に分類した。分類は最終的にできた結晶配列に基づく一方、形成過程はその配列がどのように生じたかを示す。
原子観察では、標準型（5,2）、（4,2）、（4,1）欠陥の構造的なつながりも示された。こうした観察結果は、これらの構造が互いに変化する経路の可能性を裏付ける。このようなつながりを理解することで、材料の成長や加工時に特定の欠陥が生じる理由を調べる手掛かりとなる。
著者らは、積層順序を表す数値ラベルである同一のズダノフ表記が、非標準型欠陥では固有、外因性のどちらの構造も指し得ることを見いだした。そのため、ラベルを解釈するには周囲の結晶学的配列も必要となる。
計算では、（1,1）欠陥と（2,1）欠陥のさらなる違いも明らかになった。これらの電子的特性は炭化ケイ素の2H型に似ている一方、調べた欠陥の大半は立方晶の3C型に似た状態を示した。この結果は、分類の検討を、原子の積層が電子的・光学的挙動をどう変えるかという論文の幅広い説明と結び付けている。
論文発表、受賞、そして次の実用化段階
研究成果は2026年10月に発表された。KERIの発表を伝える記事では、発表日は10月23日と10月25日の2通りで記載されている。論文は9月8日に発表されたと報じられており、Acta Materialiaでは第321巻、論文番号122747、2026年12月1日付として掲載されている。
主な節目から、今回の成果が2年以上にわたる研究の一環であることが分かる。
- 2024年6月1日：先行研究がウエハー70枚の積層欠陥約5万件を調べ、広く受け入れられていた複数の波長対応に疑問を投げかけた。
- 2026年9月8日：新たなActa Materialia掲載論文が発表されたと報じられ、標準型（4,1）欠陥を459ナノメートルと結び付けた。
- 2026年10月：KERIがウエハー207枚、欠陥10万4,439件を対象とした広範な調査の成果を発表した。
- 2026年12月1日：論文を収録したActa Materialia第321巻の発行日。
研究プロジェクトは、産業通商資源部の「複合パワー半導体高度化技術開発事業」の支援を受けた。論文は修正要求なしで受理され、Journal Citation Reportsで同分野の上位5％に入るとされる学術誌に掲載された。
羅氏は、SiC欠陥分析に関する研究で2026年HORIBA正夫賞の佳作も受賞した。KERIによると、2004年の賞創設以来、韓国の研究機関に所属する研究者が受賞したのは初めて。
メーカーにとって当面の課題は、改定された識別方法を既存の検査手順にどう組み込むかを評価することだ。より正確な分類により、技術者は欠陥を成長条件や加工条件に結び付け、どの変更を試すべきか判断しやすくなる。目指すのは、欠陥の検出から原因の理解と制御までを、より正確につなぐことだ。
要点
- 4H-SiCの標準型（4,1）フランク型積層欠陥は、室温で459ナノメートルの発光を示し、長年使われてきた424ナノメートルという値とは異なる。
- 調査対象は、9社の供給元から集めた市販ウエハー207枚に含まれる積層欠陥10万4,439件。
- 研究者らは極薄試料176点を調べ、459ナノメートルで発光する対象欠陥9個のうち6個で（4,1）構造を確認した。
- 計算では発光波長を約444～450ナノメートルと推定し、450ナノメートル付近の信号を支持した。
- 2024年の研究では、別の欠陥である単一のショックレー型（3,1）欠陥が424ナノメートルで特定されていた。
- 今回の成果は、IECの検査指針を見直し、欠陥分類を改善するための科学的根拠となる。
- 羅文慶氏は2026年HORIBA正夫賞の佳作を受賞した。
