сверхпроводящий детектор рентгеновских лучей, разработанный аистом, используется для идентификации n легирующих примесей при очень низкой концентрации в sic (слева) и sc-xafs, установленных на линии пучка фотонной фабрики, kek (справа)

исследователи разработали прибор для спектроскопии тонкой структуры рентгеновского поглощения (xafs), оборудованный сверхпроводящим детектором. с прибором исследователи впервые ввели анализ локальной структуры примесей азота (n) (примесных атомов при очень низкой концентрации), которые были введены ионной плантацией в карбиде кремния ( так ), широкозонный полупроводник и необходимы для того, чтобы sic был полупроводником n-типа.

как ожидается, будут способствовать подавлению выбросов CO 2. для производства устройств с использованием sic, одного из типичных широкозонных полупроводниковых материалов, введение легирующих примесей ионной плантацией необходимо для контроля электрических свойств. атомы легирующей примеси должны быть расположены в определенном месте решетки в кристалле. однако не было метода микроструктурного анализа. sc-xafs использовали для измерения спектров хафса n-примесей при очень низкой концентрации в sic-кристалле, а место замещения n-примесей определяли по сравнению с расчетами первого принципа. в дополнение к sic, sc-xafs могут быть применены к широкозонным полупроводникам, таким как нитрид галлия ( ган ) и алмаз, магниты для двигателей с малыми потерями, устройства для спинтроники, солнечные элементы и т. д.

результаты будут опубликованы в режиме онлайн в научных отчетах, научном журнале, опубликованном издательской группой природы, 14 ноября 2012 года (uk time).

sic имеет ширину полосы больше, чем у общих полупроводников, и обладает превосходными свойствами, включая химическую стабильность, твердость и термостойкость. поэтому ожидается, что это энергосберегающий полупроводник следующего поколения, который может функционировать в высокотемпературной среде. в последние годы стали доступны крупные монокристаллические подложки, и на рынке появились такие устройства, как диоды и транзисторы; однако допинг, который необходим для производства устройств с полупроводником, по-прежнему несовершенен, не позволяя sic полностью использовать свои собственные энергосберегающие свойства.

характерный рентген кислорода (б) примеробнаружение n-легирующей примеси в очень низкой концентрации в сильном пикеобильные c в sic и слабый пик n различаются. при вставкев (б) вертикальная ось находится в линейном масштабе. ясно, что n существует вочень низкая концентрация.

допинг - это процесс, при котором небольшое количествопримесь вводится (для замещения) в узел кристаллической решетки с образованиемполупроводник с электронами, играющими важную роль в электропроводности(полупроводник n-типа) или с отверстиями, играющими важную роль в электрическихпроводимость (полупроводник p-типа). sic представляет собой соединение и, следовательно, имеет комплекскристаллической структуры, что означает, что легирование в sic намного сложнеечем легирование в кремний (si). поскольку допанты должны быть световые элементы такиекак бор, n, алюминий или фосфор, не было способа измерения для изученияна каком месте в sic-кристалле они расположены, а именно si-сайт илиуглерод (с). хотя просвечивающая электронная микроскопия может визуализировать атомы,трудно отличить элемент света от светлых элементовсоставляющих матричный материал. для определения узлов легирующей примеси, xafsспектроскопия эффективна. рентгенофлуоресцентный анализ позволяет измерять xafsспектров конкретного элемента в матрицах и раскрывает атомную структуруи химическое состояние вокруг элемента. до сих пор, однако, это было невозможночтобы отличить характерный рентгеновский луч светового элемента при очень низкомконцентрация от матричных элементов, si и c. отсутствиеметод анализа препятствует развитию широкозонных полупроводников.

aist разрабатывает передовые измерениятехнологий для промышленных исследований и научных исследований,доступные для публичного использования, и стандартизация их. как часть этих усилий,sc-xafs с использованием сверхпроводящих измерительных технологий была завершена в 2011 году. nимеет атомное число, большее, чем c на единицу. энергия его характеристикирентгеновское излучение составляет 392 электрон-вольт (эв); отличие от c, 277 ev, являетсятолько 115 ev. хотя энергетическое разрешение последнего полупроводникового рентгеновского излучениядетекторы составляют 50 эв или меньше, что меньше разницы, при этома светлые элементы можно отличить, если они существуют в большомmount, невозможно отличить световой элемент при очень низком уровнеконцентрация, такая как присадки. напротив, сверхпроводящий рентгеновский детекторразработанный аистом, имеет разрешение, превышающее теоретическое ограничениеполупроводниковых рентгеновских детекторов. поэтому можно измерить xafsспектр n-легирующей примеси в sic с использованием сверхпроводящего детектора ( аист сегодня , том 12, вып. 3).

Рисунок 2: (a) спектр xafs sic-пластиныбез термообработки сразу после ионной плантации при 500 ° С ите, которые подвергаются тепловой обработке при высоких температурах после ионногоимплантация (б) спектры хафсов, взятые из расчетов первого принципас сайтом si, замененным на n, и с c-сайтом, замененным на n.данные эксперимента согласуются с результатом расчета в предположениичто c-сайты были заменены в сравнении (a) измеренных спектрови (б) рассчитанные спектры для политиков 3c и 4h, которые были двумятипичная кристаллическая структура sic

этот sc-xafs установлен в линии пучка bl-11a фотонной фабрики, kekи доступен для общественности с 2012 года в таких проектах, как aistсовременная платформа обмена инновационными технологиями и микроструктурный анализплатформу в проекте платформы нанотехнологий. только айст и продвинутый светисточник в США имеет такой расширенный измерительный прибор; и толькоaist разработал сверхпроводящий детектор, ключ аналитическогоинструмент. itc разработал технологию ионной инъекции и термообработкутехнологии, применимые к SIC, и предоставляет образцы пользователям.

на рисунке 1 (а) показана гистограмма энергетического разрешения каждого элементадетектор сверхпроводящей матрицы. при максимальном разрешении 10 эв, чтопревышает предел 50 эв полупроводниковых детекторов, детектор может различатьколичество следов n от матрицы c в большом количестве (рис.1 (b)), таким образомпозволяя получать спектры хаф с точностью, пригодной для сравненияс расчетами первого принципа (рис.2 (b)).

sic wafer, в которую добавляли n-примесь ионной плантацией притемпература 500 ° С и термообработки пластин при 1400 ° С или 1800 ° С послеионная плантация подвергалась измерению спектров хаф (рис.2)(А)). результат этого эксперимента согласуется с расчетом первого принципас feff, в котором предполагалось, что n атомов были расположены на сайтах c(рис.2 (b)). таким образом, было подтверждено, что большинство n атомов были расположены в cсразу после ионной плантации. эмпирическое знание о том, что ионплантация при температуре до 500 ° С была необходима для допирования доsic, причина для которого, однако, была неизвестна. причина, выявленная внастоящее исследование состоит в том, что необходимо найти n в сайтах c до нагревапри высокой температуре. кроме того, согласно спектру вниже 400 эв, предполагается, что химическая связь образуется междуc и n в неупорядоченном кристаллическом состоянии сразу после ионной плантации. в видекристаллический беспорядок разрешается в результате термообработки при высокихтемпературы, эта химическая связь разрушается, оставляя только химическую связь n иsi, что является предпочтительным для легирования. как описано здесь, выясняется, чтолегирование sic является сложным и требует совершенно другого метода изчто для легирования si, в котором замена узла решетки может бытьреализуется путем термообработки после ионной имплантации при комнатной температуре.

теперь можно определить место решетки следа n dopantвведен в sic; до сих пор такое измерение не было возможным. кроме того,состояние химических связей n-примеси с базовыми материалами, si и c,раскрывается. путем объединения sc-xafs и вычисления первого принципа, этодоказал, что обнаружение и микроструктурный анализ следового количествавозможны легкие элементы в кристалле, оба из которых были невозможны до тех пор, покаТеперь.

ожидается, что разработанная технология будет способствовать оптимизациипроцесс легирования sic-полупроводников. кроме sic, sc-xafs будут примененык анализу других широкозонных полупроводников, магнитных материалов и т. д .;их функции зависят от элементов светового потока. кроме того, улучшение будетследует попытаться в разрешении сверхпроводящего рентгеновского детектора испособность обнаруживать количество следов световых элементов, расширяя таким образомдиапазон концентраций примесей, покрываемых sc-xafs.