der supraleitende Röntgendetektor, entwickelt von aist, zur Identifizierung von n Dotierstoffen in sehr geringer Konzentration in sic (links) und sc-xafs an einer Strahllinie der Photonenfabrik, kek (rechts)

aist-Forscher haben ein Instrument zur Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie (XAF) entwickelt, das mit einem supraleitenden Detektor ausgestattet ist. Mit dem Instrument haben die Forscher zum ersten Mal eine lokale Strukturanalyse von Stickstoff (n) -Dotanden (Verunreinigungsatome in sehr geringer Konzentration), die durch Ionenplantation in Siliziumkarbid ( sic ), ein Wide-Gap-Halbleiter, und sind notwendig, um ein n-Typ-Halbleiter zu sein.

Es wird erwartet, dass Wide-Gap-Halbleiter-Leistungsbauelemente, die eine Verringerung von Leistungsverlusten ermöglichen, zur Unterdrückung von co2-Emissionen beitragen. um Geräte herzustellen, die sic, eines der typischen Halbleitermaterialien mit großen Abständen, verwenden, ist die Einführung von Dotierstoffen durch Ionenplantage notwendig für die Kontrolle der elektrischen Eigenschaften. Die Dotierstoffatome müssen sich in der besonderen Gitterstelle in einem Kristall befinden. Es gab jedoch kein Mikrostrukturanalyseverfahren. sc-xafs wurde verwendet, um die xafs-Spektren der n Dotierstoffe bei einer sehr niedrigen Konzentration im sic-Kristall zu messen, und die Substitutionsstelle der n Dotierstoffe wurde durch Vergleich mit einer Berechnung des ersten Prinzips bestimmt. zusätzlich zu sic können sc-xafs auf Halbleiter mit großen Abständen wie Galliumnitrid ( Gan ) und Diamant, Magnete für verlustarme Motoren, Spintronik-Geräte, Solarzellen usw.

die ergebnisse werden online in wissenschaftlichen berichten veröffentlicht, einer wissenschaftlichen zeitschrift, die von der nature publishing group am 14. november 2012 (uk time) veröffentlicht wurde.

sic hat eine Bandlücke, die größer ist als die von allgemeinen Halbleitern und besitzt ausgezeichnete Eigenschaften, einschließlich chemischer Stabilität, Härte und Wärmebeständigkeit. daher wird erwartet, dass es ein energiesparender Halbleiter der nächsten Generation ist, der in einer Hochtemperaturumgebung funktionieren kann. in den letzten Jahren sind große einkristalline Substrate verfügbar geworden und Vorrichtungen wie Dioden und Transistoren erschienen auf dem Markt; Jedoch ist die Dotierung, die notwendig ist, um Bauelemente mit dem Halbleiter herzustellen, immer noch unvollständig, was verhindert, dass sic seine intrinsischen energiesparenden Eigenschaften voll ausnutzt.

charakteristisches Röntgenbild von Sauerstoff (b) ein Beispiel für dieNachweis des n - Dotierstoffes in sehr geringer Konzentration in der starken Spitze vonreichlich c in sic und der schwache Peak von n sind unterscheidbar. in der EinfügungIn (b) ist die vertikale Achse in einer linearen Skala. es ist klar, dass n in a existiertsehr geringe Konzentration.

Doping ist ein Prozess, in dem eine kleine Menge vonDie Verunreinigung wird (zur Substitution) in eine Kristallgitterstelle eingeführt, um einHalbleiter mit Elektronen spielen eine Hauptrolle bei der elektrischen Leitung(n-Typ Halbleiter) oder mit Löchern spielen eine große Rolle in der ElektrotechnikLeitung (p-Typ Halbleiter). sic ist eine Verbindung und hat somit einen KomplexKristallstruktur, was bedeutet, dass das Dotieren in Sic weitaus schwieriger istals Dotieren in Silizium (si). da Dotierstoffe sein sollten leichte Elemente eine solcheals Bor, n, Aluminium oder Phosphor gab es keine zu untersuchende Messmethodean welcher Stelle im Sic - Kristall sie sich befinden, nämlich die si site oder dieKohlenstoff (c) -Site. obwohl Transmissionselektronenmikroskopie Atome sichtbar machen kann,es ist schwierig, ein Spurlichtelement von Lichtelementen zu unterscheidendas Matrixmaterial bilden. Bestimmen von Dotierungsgitterstellen, xafsSpektroskopie ist effektiv. Röntgenfluoreszenzanalyse ermöglicht die Messung von XAFsSpektren eines bestimmten Elements in Matrizen und zeigt die atomare Anordnungund der chemische Zustand um das Element. bisher war es jedoch unmöglichdas charakteristische Röntgenbild eines Lichtelements sehr gering zu unterscheidenKonzentration von denen der Matrixelemente, si und c. das Fehlen derAnalysemethode hat die Entwicklung von Halbleitern mit großen Abständen behindert.

Aist entwickelt fortschrittliche MessungenTechnologien für industrielle Forschung und wissenschaftliche Studien, um sie zu machenverfügbar für die öffentliche Nutzung und standardisieren sie. als Teil dieser Bemühungen,sc-xafs mit einer supraleitenden Messtechnik wurde 2011 fertiggestellt. nhat eine Ordnungszahl größer als c um eins. die Energie seiner EigenschaftRöntgen ist 392 Elektronenvolt (ev); der Unterschied von dem von c, 277 ev, istnur 115 ev. obwohl die Energieauflösung der neuesten Halbleiter-RöntgenDetektoren ist 50 ev oder so, die kleiner als die Differenz ist, bei diesemAuflösung, während leichte Elemente unterschieden werden können, wenn sie in einem großen existierenmontieren, ist es nicht möglich, ein leichtes Element sehr niedrig zu unterscheidenKonzentration, wie Dotierstoffe. im Gegensatz dazu der supraleitende Röntgendetektorentwickelt von Aist hat die Auflösung, die die theoretische Begrenzung überschreitetHalbleiter-Röntgendetektoren. Daher ist es möglich, die XAFs zu messenSpektrum des n-Dotierstoffs mit dem supraleitenden Detektor ( aist heute , vol. 12, nein. 3).

Abbildung 2: (a) das XAF-Spektrum des Sic-Wafersohne Wärmebehandlung unmittelbar nach der n-Ionen-Plantage bei 500 ° C, unddiejenigen des sic-Wafers, die bei hohen Temperaturen nach dem Ion wärmebehandelt wurdenImplantation (b) die Xafs-Spektren, die von den Berechnungen des ersten Prinzips angenommen wurdenmit der si site durch n ersetzt und mit der c site durch n ersetzt. dasExperiment Daten stimmen mit dem Ergebnis der Berechnung auf der Annahme übereindass die c-Stellen im Vergleich von (a) den gemessenen Spektren ersetzt wurdenund (b) die berechneten Spektren für die Polytypen 3c und 4h, die zwei warentypische Kristallstruktur sic

Dieser sc-xafs ist in der Bl-11a-Strahllinie der Photonenfabrik kek installiertund ist seit 2012 in Projekten wie dem Aist der Öffentlichkeit zugänglichfortgeschrittene Ausrüstung, die Innovationsplattform und die mikrostrukturelle Analyse teiltPlattform im Nanotechnologie-Plattform-Projekt. nur Aist und fortgeschrittenes LichtQuelle in den USA haben diese Art von fortgeschrittenen Messinstrument; und nurAist hat einen supraleitenden Detektor entwickelt, der Schlüssel des AnalytischenInstrument. itc hat die Ioneninjektionstechnologie und die Wärmebehandlung entwickeltTechnologie anwendbar auf Sic und liefert Proben an Benutzer.

Abbildung 1 (a) zeigt ein Histogramm der Energieauflösung jedes Elements vonder supraleitende Array-Detektor. mit einer maximalen Auflösung von 10 ev, dieüberschreitet die Grenze von 50 eV von Halbleiterdetektoren, kann der Detektor unterscheideneine Spurenmenge von n aus der Matrix c in einer großen Menge (Fig. 1 (b))Ermöglichen der Akquisition von XAF-Spektren mit einer Genauigkeit, die für einen Vergleich verwendbar istmit First-Principle-Berechnung (Abb. 2 (b)).

der Sic - Wafer, in den der n - Dotierstoff durch Ionenplantage eingebracht wurdeeine Temperatur von 500 ° C und die Wafer bei 1400 ° C oder 1800 ° C nachbehandeltdie Ionenplantage wurde der Messung von XAF - Spektren unterzogen (Abb. 2)(ein)). Das Ergebnis dieses Experiments stimmte der Berechnung des ersten Prinzips zumit feff, in dem angenommen wurde, dass sich n Atome in den c-Stellen befanden(Abb. 2 (b)). so wurde bestätigt, dass die meisten n-Atome in der c lokalisiert warenStandorte unmittelbar nach der Ionenplantage. es war das empirische Wissen, das IonPlantage bei einer Temperatur so hoch wie 500 ° C war für die Dotierung notwendigDer Grund dafür war jedoch unbekannt. der Grund, der in derAktuelle Studie ist, dass es notwendig ist, n in den c-Standorten vor der Hitze zu lokalisierenBehandlung bei hoher Temperatur. außerdem, entsprechend dem Spektrum in derRegion unterhalb von 400 eV wird angenommen, dass eine chemische Bindung dazwischen gebildet wirdc und n in einem ungeordneten Kristallzustand unmittelbar nach der Ionenplantage. wiedie Kristallstörung löst sich infolge der Wärmebehandlung bei hohem Wert aufTemperatur bricht diese chemische Bindung auf und hinterlässt nur die chemische Bindung von n undsi, was für die Dotierung bevorzugt ist. wie hier beschrieben, ist es offenbart, dassDas Doping zu Sic ist komplex und erfordert eine völlig andere Methode alsdas für die Dotierung zu si, in dem die Gitterstellen-Substitution sein kannRealisiert durch Wärmebehandlung nach Ionenimplantation bei Raumtemperatur.

es ist nun möglich, die Gitterstelle des Spur-n-Dotierstoffs zu bestimmeneingeführt in sic; Eine solche Messung war bisher nicht möglich. außerdem, dieZustand der chemischen Bindungen des n-Dotierstoffs mit den Basismaterialien si und c,wurde offenbart. durch die Kombination von Sc-Xafs und der Erst-Prinzip-Berechnung ist esbewiesen, dass die Detektion und mikrostrukturelle Analyse einer Spurenmenge derLeichte Elemente in einem Kristall sind möglich, beides war bis zum Ende unmöglichjetzt.

Von der entwickelten Technologie wird erwartet, dass sie zur Optimierung vonder Dotierungsprozess von Halbleiterhalbleitern. neben sic werden sc-xafs angewendetzur Analyse anderer Wide-Gap-Halbleiter, magnetischer Materialien usw .;ihre Funktionen hängen von Spurenlichtelementen ab. Außerdem wird die Verbesserungin der Auflösung des supraleitenden Röntgendetektors versucht werden und dieFähigkeit der Detektion einer Spurenmenge von Lichtelementen, somit expandiertder Bereich der Verunreinigungskonzentrationen, die durch sc-Xafs abgedeckt sind.