el detector de rayos X superconductor desarrollado por aist, utilizado para identificar n dopantes a una concentración muy baja en sic (izquierda) y sc-xafs instalados en una línea de haz de fábrica de fotones, kek (derecha)

Unos investigadores han desarrollado un instrumento para la espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos x (xafs) equipado con un detector superconductor. con el instrumento, los investigadores se dieron cuenta, por primera vez, del análisis de la estructura local de nitrógeno (n) dopantes (átomos de impurezas a muy baja concentración), que fueron introducidos por plantación de iones en carburo de silicio ( sic ), un semiconductor de gran ancho de banda, y son necesarios para que sic sea un semiconductor de tipo n.

Se espera que los dispositivos de potencia semiconductores de gran espacio, que permiten la reducción de la pérdida de potencia, contribuyan a la supresión de las emisiones de CO2. para producir dispositivos que usan sic, uno de los materiales semiconductores de gran ancho típicos, la introducción de dopantes por plantación de iones es necesaria para el control de las propiedades eléctricas. los átomos dopantes deben ubicarse en el sitio de red particular en un cristal. sin embargo, no ha habido un método de análisis de microestructura. sc-xafs se usó para medir los espectros xafs de los n dopantes a una concentración muy baja en el cristal sic, y el sitio de sustitución de los n dopantes se determinó por comparación con un primer cálculo de principio. además de sic, sc-xafs se puede aplicar a semiconductores de gran espacio, como el nitruro de galio ( gan ) y diamante, imanes para motores de baja pérdida, dispositivos de espintrónica, células solares, etc.

los resultados se publicarán en línea en informes científicos, una revista científica publicada por el grupo editorial de la naturaleza, el 14 de noviembre de 2012 (hora del Reino Unido).

sic tiene un espacio de banda mayor que el de los semiconductores generales y posee excelentes propiedades que incluyen estabilidad química, dureza y resistencia al calor. por lo tanto, se espera que sea un semiconductor de ahorro de energía de próxima generación que pueda funcionar en un entorno de alta temperatura. en los últimos años, se han puesto a disposición grandes sustratos sic monocristalinos y aparecieron en el mercado dispositivos como diodos y transistores; sin embargo, el dopaje, que es necesario para producir dispositivos con el semiconductor, sigue siendo imperfecto, lo que impide que sic utilice completamente sus propiedades intrínsecas de ahorro de energía.

radiografía característica de oxígeno (b) un ejemplo deldetección del n dopante en una concentración muy baja en sic el fuerte pico deabundantes c en sic y el pico débil de n son distinguibles. en la inserciónen (b), el eje vertical está en una escala lineal. está claro que n existe en unamuy baja concentración.

el dopaje es un proceso en el que una pequeña cantidad dela impureza se introduce (para sustitución) en un sitio de red cristalina para formar unsemiconductor con electrones jugando un papel importante en la conducción eléctrica(semiconductor de tipo n) o con agujeros que desempeñan un papel principal en la electricidadconducción (semiconductor de tipo p). sic es un compuesto, y por lo tanto tiene un complejoestructura cristalina, lo que significa que el dopaje en sic es mucho más difícilque dopaje en silicio (si). ya que los dopantes deberían ser elementos ligeros talcomo boro, n, aluminio o fósforo, no había un método de medición para estudiaren qué sitio del cristal sic se encuentran, es decir, el sitio si o elsitio de carbono (c). aunque la microscopía electrónica de transmisión puede visualizar átomos,es difícil distinguir un elemento de luz traza de elementos ligerosconstituyendo el material de matriz. para determinar sitios de celosía dopante, xafsla espectroscopia es efectiva el análisis de fluorescencia de rayos X permite medir xafsespectros de un elemento específico en matrices, y revela la disposición atómicay el estado químico alrededor del elemento. hasta ahora, sin embargo, ha sido imposiblepara distinguir la radiografía característica de un elemento de luz a un nivel muy bajoconcentración de aquellos de los elementos de la matriz, si y c. la falta demétodo de análisis ha obstaculizado el desarrollo de semiconductores de gran amplitud.

aist ha estado desarrollando mediciones avanzadastecnologías para la investigación industrial y los estudios científicos, haciéndolosdisponible para uso público y estandarizándolos. como parte de estos esfuerzos,sc-xafs utilizando una tecnología de medición superconductora se completó en 2011. ntiene un número atómico mayor que c en uno. la energía de su característicala radiografía es de 392 electronvoltios (ev); la diferencia de la de c, 277 ev, essolo 115 ev. aunque la resolución energética de la última placa de rayos X semiconductoresdetectores es 50 ev más o menos, que es más pequeña que la diferencia, en esteresolución, mientras que los elementos ligeros se pueden distinguir si existen en un granmontar, no es posible distinguir un elemento de luz a un nivel muy bajoconcentración, como dopantes. en contraste, el detector de rayos X superconductordesarrollado por aist tiene la resolución que supera la limitación teórica dedetectores de rayos x semiconductores. por lo tanto, es posible medir el xafsespectro del n dopante en sic usando el detector superconductor ( Aist hoy , vol. 12, no. 3).

figura 2: (a) el espectro xafs de la oblea sicsin tratamiento térmico inmediatamente después de la plantación de iones a 500 ° C, ylos de la oblea sic tratada térmicamente a altas temperaturas después del ionimplantación (b) los espectros xafs asumidos a partir de los cálculos del primer principiocon el sitio si reemplazado por ny con el sitio c reemplazado por n. ellos datos del experimento concuerdan con el resultado del cálculo en el supuestoque los sitios c fueron reemplazados en la comparación de (a) los espectros medidosy (b) los espectros calculados para los politipos 3c y 4h, que eran dosestructura cristalina típica sic

este sc-xafs está instalado en la línea de haz bl-11a de la fábrica de fotones, keky está disponible para el público desde 2012 en proyectos como el aistequipo avanzado que comparte la plataforma de innovación y el análisis microestructuralplataforma en el proyecto de la plataforma de nanotecnología. solo aist y luz avanzadafuente en los Estados Unidos tiene este tipo de instrumento de medición avanzada; y soloaist ha desarrollado un detector superconductor, la clave de la analíticainstrumento. itc desarrolló la tecnología de inyección de iones y el tratamiento térmicotecnología aplicable a sic y suministra muestras a los usuarios.

la figura 1 (a) muestra un histograma de la resolución de energía de cada elemento deel detector de matriz superconductor. a una resolución máxima de 10 ev, queexcede el límite de 50 ev de detectores semiconductores, el detector puede distinguiruna cantidad traza de n de la matriz c en una gran cantidad (figura 1 (b)), por lo tantopermitiendo la adquisición de espectros xafs con precisión utilizable para comparacióncon el primer cálculo de principio (figura 2 (b)).

la oblea sic en la cual el n dopante fue introducido por la plantación de iones enuna temperatura de 500 ° C y las obleas tratadas térmicamente a 1400 ° C o 1800 ° C despuésla plantación de iones se sometió a la medición de los espectros xafs (figura 2)(un)). el resultado de este experimento estuvo de acuerdo con el cálculo del primer principiocon feff, en el que se suponía que n átomos estaban ubicados en los sitios c(figura 2 (b)). por lo tanto, se confirmó que la mayoría de los n átomos se encontraban en la csitios inmediatamente después de la plantación de iones. fue conocimiento empírico que ionplantación a una temperatura tan alta como 500 ° C era necesaria para el dopajesic, la razón por la cual, sin embargo, era desconocida. la razón revelada en elEl presente estudio es que es necesario ubicar n en los sitios c antes del calortratamiento a alta temperatura. además, según el espectro en elregión inferior a 400 ev, se presume que se forma un enlace químico entreC y N en un estado de cristal desordenado inmediatamente después de la plantación de iones. comoel trastorno de cristal se resuelve como resultado del tratamiento térmico a altatemperatura, este enlace químico se rompe, dejando solo el enlace químico de nysi, que es preferible para el dopaje. como se describe aquí, se revela queel dopaje a sic es complejo y requiere un método completamente diferente deque para el dopaje a si, en el que la sustitución del sitio de red puede serrealizado por tratamiento térmico después de la implantación de iones a temperatura ambiente.

ahora es posible determinar el sitio de red de la traza n dopantintroducido en sic; ninguna medición de ese tipo fue posible hasta ahora. además, elestado de los enlaces químicos del n dopante con los materiales de base, si y c,es revelado. combinando sc-xafs y el primer cálculo de principio, esdemostró que la detección y el análisis microestructural de una cantidad traza deelementos ligeros en un cristal son posibles, los cuales fueron imposibles hastaahora.

Se espera que la tecnología desarrollada contribuya a la optimización deel proceso de dopaje de los semiconductores sic. además de sic, se aplicará sc-xafspara el análisis de otros semiconductores de gran ancho de banda, materiales magnéticos, etc .;sus funciones dependen de elementos de trazas de luz. además, la mejoraintentarse en la resolución del detector de rayos X superconductor ycapacidad de detección de una cantidad traza de elementos ligeros, expandiéndose asíel rango de las concentraciones de impurezas cubiertas por sc-xafs.