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半導體產業網訊? 近日，廈門大學康俊勇教授團隊康聞宇特任副研究員和尹君副教授在人工智能輔助的SiC單晶無損表征方面取得重要進展，相關研究成果以“Non-destructive and deep learning-enhanced characterization of 4H-SiC material”為題發表于Aggregate期刊。該工作為重現SiC晶體的生長過程、快速優化生長工藝提供一條全新的途徑，相關技術對于提高第三代半導體單晶生產效率表現出重要的應用前景。
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研究背景
第三代半導體材料碳化硅（SiC）因其卓越的電學特性在高壓、高頻和高溫電子器件領域獲得巨大應用。然而，傳統的SiC晶體PVT生長被認為是一個“盲盒”，晶體質量及工藝可靠性極易受多方面因素影響。當前，針對SiC單晶的缺陷表征與質量評價僅能依賴于各種破壞性測試實現。這些傳統方法不僅會造成晶體材料的損耗、耗時耗力，還難以用直觀的且多維度的方式追溯并呈現SiC晶體的生長過程。這也是當前SiC單晶良率較低、襯底成本仍居高不下的原因之一。因此，迫切需要發展一種無損的、快速的、多維度的檢測方法，以識別和溯源大尺寸晶錠內部缺陷的形成與演化，從而指導生長工藝的優化。
研究創新點
針對上述挑戰，廈門大學康俊勇教授團隊依據SiC晶體中缺陷對X光的調制特性，成功開發了一種基于顯微CT掃描和人工智能（深度學習）增強的方法，實現了對大尺寸（≥6英寸）4H-SiC晶錠的快速無損表征。團隊通過對SiC晶體的全面多維度掃描，獲取了SiC晶體中潛在微米級缺陷的圖像特征，如微管、多型和碳包裹物等（圖1）；進一步地結合傳統光學方法表征的驗證，確認了掃描圖像中的圖像特征與缺陷類型的指認關系。在此基礎上，通過搭建人工智能架構，借助卷積神經網絡圖像識別技術，對上述缺陷圖像特征進行訓練和驗證，實現了復雜CT圖像中人工智能輔助的SiC缺陷快速、準確識別與定位（圖2）。實驗結果表明，訓練模型對4H-SiC晶體微米尺度的典型缺陷，含多型體、微管和碳包裹物，均可達到96%以上的識別和定位準確度。同時，該方法實現了晶體三維數字化重構，直觀地展示了晶體內部不同微觀缺陷的空間分布及相關演化過程（圖3）。基于三維數字化重建的定量分析，也為后續SiC襯底制備的“數字孿生”提供了技術支持。
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圖1.?利用顯微CT掃描無損獲取4H-SiC晶體缺陷圖像特征
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圖2.?人工智能識別4H-SiC缺陷流程與架構
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圖3. 人工智能增強表征獲取SiC晶體缺陷可視化演變過程和定量分析?
總結與展望
本研究開發了一種基于人工智能增強的4H-SiC材料無損表征技術，實現了對其微觀缺陷的快速、直觀、有效評估，并通過生動的數字化重建揭示了SiC晶體生長過程中的缺陷演變，為PVT生長工藝的優化提供了重要指導。值得一提的是，該方法不僅適用于SiC，也可推廣至AlN、Ga2O3等其他高價值第三代半導體單晶材料的無損快速表征和生長動力學過程再現，提升晶圓產率，進而推動半導體材料制備領域的快速發展。
論文信息
Xiaofang Ye, Aizhong Zhang, Jiaxin Huang, Wenyu Kang, Wei Jiang, Xu Li, Jun Yin, Junyong Kang,?Non-destructive and deep learning-enhanced characterization of 4H-SiC material. Aggregate, 2024, e524.
https://doi.org/10.1002/agt2.524
論文第一作者為廈門大學物理科學與技術學院光電信息工程專業2022級博士研究生葉曉芳，通訊作者為廈門大學康聞宇特任副研究員，尹君副教授。?
通訊作者簡介
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康聞宇，博士畢業于The University of Adelaide，2021年加入廈門大學。研究工作涉及深紫外光電器件與裝備在食品安全領域的應用，短波長光電子、功率半導體晶體材料與相關裝備的研發，新型固態光源的開發等。部分學術成果已以第一/通訊作者身份發表于Nature Electronics、Opto-Electronic Advances、Aggregate、Food Research International等國際學術期刊15篇，申請國家專利10件。先后承擔國家重點研發計劃“新型顯示與戰略性電子材料”與“高性能制造技術與重大裝備”專項項目、廈門市重大產業科技項目等。
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尹君，廈門大學副教授，2014年畢業于華中科技大學光學與電子信息學院，同年加入廈門大學。主要研究方向為寬禁帶半導體材料生長、量子調控及其器件應用，高效有機無機雜化太陽能電池等，近年來以第一作者/通訊作者在Light Sci. Appl.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Adv. Opt. Mater.、Opto-Electron Adv.、J Am. Chem. Soc.等期刊發表SCI論文30余篇，授權發明專利10余項。先后主持及承擔國家重點研發計劃項目協作課題、國家自然科學基金青年基金項目、福建省自然科學基金面上項目、福建省科技廳工業引導性重點項目、江西省自然科學基金重點項目、廈門市重大科技項目（子課題）等多項科研課題。