il rilevatore di raggi X superconduttori sviluppato da aist, utilizzato per identificare n droganti a bassissima concentrazione in sic (a sinistra) e sc-xafs installati su una linea di fascio di fabbrica di fotoni, kek (a destra)

i ricercatori aist hanno sviluppato uno strumento per la spettroscopia a struttura fine (xafs) di assorbimento dei raggi X dotato di un rilevatore superconduttore. con lo strumento, i ricercatori hanno realizzato, per la prima volta, l'analisi della struttura locale dei droganti di azoto (n) (atomi di impurezze a concentrazioni molto basse), che sono stati introdotti dalla piantagione di ioni in carburo di silicio ( sic ), un semiconduttore a gap ampio, e sono necessari affinché sic sia un semiconduttore di tipo n.

Si prevede che i dispositivi di potenza a semiconduttore wide-gap, che consentono la riduzione della perdita di potenza, contribuiscano alla soppressione delle emissioni di co2. per produrre dispositivi che utilizzano sic, uno dei tipici materiali semiconduttori wide-gap, l'introduzione di droganti mediante piantagione di ioni è necessaria per il controllo delle proprietà elettriche. gli atomi droganti devono essere localizzati nel particolare sito del reticolo in un cristallo. tuttavia, non c'è stato un metodo di analisi della microstruttura. sc-xafs è stato usato per misurare gli spettri xafs dei droganti n ad una concentrazione molto bassa nel cristallo sic, e il sito di sostituzione degli n-droganti è stato determinato confrontandolo con un calcolo del primo principio. oltre a sic, sc-xafs può essere applicato a semiconduttori wide-gap come il nitruro di gallio ( Gan ) e diamanti, magneti per motori a bassa perdita, dispositivi spintronici, celle solari, ecc.

i risultati saranno pubblicati online in rapporti scientifici, una rivista scientifica pubblicata dal gruppo di editoria della natura, il 14 novembre 2012 (ora del Regno Unito).

sic ha una banda proibita maggiore di quella dei semiconduttori generali e possiede proprietà eccellenti tra cui stabilità chimica, durezza e resistenza al calore. pertanto, si prevede che sarà un semiconduttore a risparmio energetico di prossima generazione che può funzionare in un ambiente ad alta temperatura. negli ultimi anni sono diventati disponibili grandi substrati in cristallo singolo e dispositivi come diodi e transistor sono comparsi sul mercato; tuttavia, il drogaggio, che è necessario per produrre dispositivi con il semiconduttore, è ancora imperfetto, impedendo a sic di sfruttare appieno le sue proprietà intrinseche di risparmio energetico.

caratteristica a raggi x di ossigeno (b) un esempio dirilevamento del n drogante in una concentrazione molto bassa in sic il forte picco dic in abbondanza e il picco debole di n sono distinguibili. nell'inserzionein (b), l'asse verticale è in scala lineare. è chiaro che n esiste in aconcentrazione molto bassa.

il doping è un processo in cui una piccola quantità dil'impurità è introdotta (per la sostituzione) in un sito di un reticolo cristallino per formare asemiconduttore con elettroni che svolgono un ruolo importante nella conduzione elettrica(semiconduttore di tipo n) o con fori che giocano un ruolo importante nell'elettricoconduzione (semiconduttore di tipo p). sic è un composto, e quindi ha un complessostruttura cristallina, il che significa che il doping in sic è di gran lunga più difficileche drogarsi nel silicio (si). dato che i droganti dovrebbero essere elementi leggeri comecome boro, n, alluminio o fosforo, non c'era alcun metodo di misurazione da studiarea quale sito nel cristallo sic si trovano, vale a dire il sito si o ilcarbonio (c) sito. sebbene la microscopia elettronica a trasmissione possa visualizzare gli atomi,è difficile distinguere un elemento di luce di traccia da elementi leggericostituendo il materiale della matrice. per determinare i siti di lattice del drogante, xafsla spettroscopia è efficace. l'analisi della fluorescenza a raggi X consente di misurare xafsspettri di un elemento specifico in matrici e rivela la disposizione atomicae lo stato chimico intorno all'elemento. finora, tuttavia, è stato impossibileper distinguere la caratteristica radiografia di un elemento di luce a un valore molto bassoconcentrazione da quelli degli elementi della matrice, si e c. la mancanza delil metodo di analisi ha ostacolato lo sviluppo di semiconduttori a larga banda.

aist ha sviluppato misurazioni avanzatetecnologie per la ricerca industriale e studi scientifici, facendolidisponibile per uso pubblico e standardizzandoli. come parte di questi sforzi,sc-xafs che utilizza una tecnologia di misurazione superconduttiva è stato completato nel 2011. nha un numero atomico maggiore di c per uno. l'energia delle sue caratteristichela radiografia è 392 elettronvolt (ev); la differenza da quella di c, 277 ev èsolo 115 ev. nonostante la risoluzione energetica dell'ultima radiografia dei semiconduttorii rilevatori sono 50 EV o così, che è più piccola della differenza, a questorisoluzione, mentre gli elementi chiari possono essere distinti se esistono in un grandemontare, non è possibile distinguere un elemento di luce a un valore molto bassoconcentrazione, come droganti. al contrario, il rilevatore di raggi X superconduttorisviluppato da aist ha la risoluzione che supera il limite teorico dirilevatori di raggi X a semiconduttore. pertanto, è possibile misurare gli xafsspettro del drogante n in sic usando il rivelatore superconduttore ( aist oggi , vol. 12, no. 3).

figura 2: (a) lo spettro xafs del wafer sicsenza trattamento termico immediatamente dopo la piantagione di ioni a 500 ° c, equelli del wafer sic trattato termicamente a temperature elevate dopo lo ioneimpianto (b) gli spettri xafs assunti dai calcoli del primo principiocon il sito si sostituito con n e con il sito c sostituito con n. ili dati dell'esperimento concordano con il risultato del calcolo sull'ipotesiche i siti c sono stati sostituiti nel confronto tra (a) gli spettri misuratie (b) gli spettri calcolati per i politipi 3c e 4h, che erano duetipica struttura cristallina sic

questo sc-xafs è installato nella linea del fascio bl-11a della fabbrica di fotoni, keked è disponibile al pubblico dal 2012 nei progetti come l'aistattrezzatura avanzata che condivide la piattaforma di innovazione e l'analisi microstrutturalepiattaforma nel progetto della piattaforma di nanotecnologia. solo aist e luce avanzatala fonte negli Stati Uniti ha questo tipo di strumento di misurazione avanzato; e soloaist ha sviluppato un rilevatore superconduttore, la chiave dell'analiticostrumento. itc ha sviluppato la tecnologia di iniezione ionica e il trattamento termicotecnologia applicabile a sic e fornisce campioni agli utenti.

la figura 1 (a) mostra un istogramma della risoluzione di energia di ciascun elemento diil rivelatore di array superconduttore. ad una risoluzione massima di 10 ev, chesupera il limite di 50 EV di rivelatori a semiconduttore, il rilevatore può distinguereuna quantità di traccia di n dalla matrice c in una grande quantità (figura 1 (b)), quindiconsentendo l'acquisizione di spettri xafs con precisione utilizzabile per il confrontocon calcolo del primo principio (figura 2 (b)).

il wafer sic in cui il drogante n è stato introdotto dalla piantagione di ioni auna temperatura di 500 ° c e i wafer trattati termicamente a 1400 ° C o 1800 ° C dopola piantagione di ioni fu sottoposta alla misurazione degli spettri di xafs (figura 2)(un)). il risultato di questo esperimento è stato concordato con il calcolo del primo principiocon feff, in cui si supponeva che n atomi fossero localizzati nei siti c(figura 2 (b)). così, è stato confermato che la maggior parte degli n atomi si trovavano nel csiti immediatamente dopo la piantagione di ioni. era conoscenza empirica che ionela piantagione a una temperatura di 500 ° c era necessaria per il drogaggiosic, il motivo per cui, tuttavia, era sconosciuto. la ragione rivelata nello studio presente è che è necessario localizzare n nei siti c prima del caloretrattamento ad alta temperatura. inoltre, secondo lo spettro nelregione inferiore a 400 ev, si presume che si formi un legame chimico trac e n in uno stato cristallino disordinato subito dopo la piantagione di ioni. comeil disturbo cristallino si risolve a seguito del trattamento termico in altotemperatura, questo legame chimico si rompe, lasciando solo il legame chimico di n esi, che è preferibile per il doping. come descritto qui, è rivelato cheil doping per sic è complesso e richiede un metodo completamente diverso daquello per il drogaggio a si, in cui la sostituzione del sito di lattice può essererealizzato mediante trattamento termico dopo impianto di ioni a temperatura ambiente.

è ora possibile determinare il sito del reticolo del drogante di traccia nintrodotto in sic; finora nessuna misura era possibile. inoltre, ilstato dei legami chimici del drogante n con i materiali di base, si e c,è rivelato. combinando sc-xafs e il calcolo del primo principio, lo èha dimostrato che la rilevazione e l'analisi microstrutturale di una quantità traccia delsono possibili elementi chiari in un cristallo, entrambi impossibili fino aladesso.

la tecnologia sviluppata dovrebbe contribuire all'ottimizzazione diil processo di drogaggio dei semiconduttori sic. inoltre sic saranno applicati sc-xafsall'analisi di altri semiconduttori a larga banda, materiali magnetici, ecc .;le loro funzioni dipendono da elementi luminosi in traccia. inoltre, il miglioramento lo faràessere tentato nella risoluzione del rilevatore di raggi X superconduttori e ilcapacità di rilevare una quantità di tracce di elementi luminosi, espandendosi cosìl'intervallo delle concentrazioni di impurezze coperte da sc-xafs.