le détecteur de rayons X supraconducteur développé par aist, utilisé pour identifier n dopants à très faible concentration dans sic (à gauche) et sc-xafs installés à une ligne de faisceau de photon factory, kek (à droite)

Des chercheurs ont mis au point un instrument de spectroscopie à structure fine d'absorption de rayons X (xafs) équipé d'un détecteur supraconducteur. avec l'instrument, les chercheurs ont réalisé, pour la première fois, une analyse de structure locale de dopants azotés (n) (atomes d'impuretés à très faible concentration), introduits par implantation ionique dans du carbure de silicium ( sic ), un semi-conducteur à large gap, et sont nécessaires pour que sic soit un semi-conducteur de type n.

Les dispositifs de puissance à semi-conducteurs à large bande, qui permettent de réduire la perte de puissance, devraient contribuer à la suppression des émissions de CO2. Pour produire des dispositifs utilisant sic, l'un des matériaux semi-conducteurs à large intervalle typique, l'introduction de dopants par plantation ionique est nécessaire pour le contrôle des propriétés électriques. les atomes dopants doivent être situés dans le site de réseau particulier dans un cristal. Cependant, il n'y a pas eu de méthode d'analyse de la microstructure. sc-xafs a été utilisé pour mesurer les spectres xafs des n dopants à très faible concentration dans le cristal sic, et le site de substitution des n dopants a été déterminé par comparaison avec un calcul du premier principe. en plus de sic, sc-xafs peut être appliqué à des semiconducteurs à large gap tels que le nitrure de gallium ( gan ) et diamant, aimants pour moteurs à faible perte, dispositifs spintroniques, cellules solaires, etc.

les résultats seront publiés en ligne dans des rapports scientifiques, une revue scientifique publiée par le groupe d'édition nature, le 14 novembre 2012 (heure du Royaume-Uni).

sic a une bande interdite plus grande que celle des semiconducteurs généraux et possède d'excellentes propriétés, notamment la stabilité chimique, la dureté et la résistance à la chaleur. par conséquent, on s'attend à ce qu'il s'agisse d'un semiconducteur à faible consommation d'énergie de nouvelle génération pouvant fonctionner dans un environnement à haute température. ces dernières années, de grands substrats sic monocristallins sont devenus disponibles et des dispositifs tels que des diodes et des transistors sont apparus sur le marché; cependant, le dopage, qui est nécessaire pour produire des dispositifs avec le semi-conducteur, est encore imparfait, empêchant la sic d'utiliser pleinement ses propriétés intrinsèques d'économie d'énergie.

radiographie caractéristique de l'oxygène (b) un exemple dela détection du dopant n dans une très faible concentration dans sic le fort pic deabondant c dans sic et le pic faible de n sont distinguables. dans l'insertionen (b), l'axe vertical est dans une échelle linéaire. il est clair que n existe dans untrès faible concentration.

le dopage est un processus dans lequel une petite quantité deimpureté est introduit (pour la substitution) dans un site de réseau cristallin pour former unsemi-conducteur avec des électrons jouant un rôle majeur dans la conduction électrique(semi-conducteurs de type n) ou avec des trous jouant un rôle majeurconduction (semi-conducteur de type p). sic est un composé, et a donc un complexestructure cristalline, ce qui signifie que le dopage en sic est de loin plus difficileque le dopage en silicium (si). puisque les dopants devraient être éléments légers telcomme le bore, n, l'aluminium ou le phosphore, il n'y avait aucune méthode de mesure à étudierà quel site dans le cristal sic ils sont situés, à savoir le site si ou lesite de carbone (c). bien que la microscopie électronique à transmission puisse visualiser les atomes,il est difficile de distinguer un élément de lumière de trace d'éléments légersconstituant le matériau de la matrice. pour déterminer les sites de réseau de dopants, xafsla spectroscopie est efficace. L'analyse de fluorescence X permet de mesurer les xafsspectres d'un élément spécifique dans les matrices, et révèle l'arrangement atomiqueet l'état chimique autour de l'élément. jusqu'à présent, cependant, il a été impossibledistinguer la radiographie caractéristique d'un élément lumineux à un très faibleconcentration à partir de ceux des éléments de la matrice, si et c. le manque deméthode d'analyse a entravé le développement de semi-conducteurs à grand écart.

Aist a développé des mesures avancéestechnologies pour la recherche industrielle et les études scientifiques, les rendantdisponible pour un usage public, et en les normalisant. dans le cadre de ces efforts,sc-xafs utilisant une technologie de mesure supraconductrice a été achevée en 2011. na un nombre atomique supérieur à c par un. l'énergie de sa caractéristiquela radiographie est de 392 électrons-volts (ev); la différence avec celle de c, 277 ev, estseulement 115 ev. bien que la résolution de l'énergie de la dernière radiographie à semi-conducteursdétecteurs est de 50 ev ou plus, ce qui est plus petit que la différence, à cerésolution, tandis que les éléments légers peuvent être distingués s'ils existent dans une grandemontage, il n'est pas possible de distinguer un élément lumineux à très faibleconcentration, tels que les dopants. en revanche, le détecteur de rayons X supraconducteurdéveloppé par Aist a la résolution qui dépasse la limite théorique dedétecteurs de rayons X semi-conducteurs. par conséquent, il est possible de mesurer les xafsspectre du dopant n dans sic en utilisant le détecteur supraconducteur ( aist aujourd'hui , vol. 12, non. 3).

figure 2: (a) le spectre xafs de la plaquette sicsans traitement thermique immédiatement après la plantation d'ions n à 500 ° C, etceux de la plaquette sic traité thermiquement à haute température après l'ionimplantation (b) les spectres xafs supposés à partir des calculs du premier principeavec le site si remplacé par n et avec le site c remplacé par n. ladonnées d'expérience est d'accord avec le résultat du calcul sur l'hypothèseque les sites c ont été remplacés dans la comparaison de (a) les spectres mesuréset (b) les spectres calculés pour les polytypes 3c et 4h, qui étaient deuxstructure cristalline typique sic

ce sc-xafs est installé dans la ligne de faisceau bl-11a de l'usine de photons, keket est disponible au public depuis 2012 dans les projets tels que le aistplate-forme d'innovation de partage d'équipement de pointe et l'analyse microstructurelleplate-forme dans le projet de plate-forme de nanotechnologie. seulement lumière aist et avancéesource aux Etats-Unis ont ce genre d'instrument de mesure avancé; et seulementaist a développé un détecteur supraconducteur, la clé de lainstrument. ITC développé la technologie d'injection d'ions et le traitement thermiquetechnologie applicable à sic et fournit des échantillons aux utilisateurs.

la figure 1 (a) montre un histogramme de la résolution d'énergie de chaque élément dele détecteur à matrice supraconductrice. à une résolution maximale de 10 ev, quidépasse la limite de 50 ev de détecteurs à semi-conducteurs, le détecteur peut distinguerune trace de n de la matrice c en grande quantité (figure 1 (b)),permettant l'acquisition de spectres xafs avec une précision utilisable à des fins de comparaisonavec le calcul du premier principe (figure 2 (b)).

la plaquette sic dans laquelle le dopant n a été introduit par ion plantation àune température de 500 ° C et les plaquettes traitées thermiquement à 1400 ° c ou 1800 ° c aprèsla plantation d'ions a été soumise à la mesure des spectres xafs (figure 2)(une)). le résultat de cette expérience a été accepté avec le calcul du premier principeavec feff, dans lequel il a été supposé que n atomes étaient situés dans les sites c(figure 2 (b)). ainsi, il a été confirmé que la plupart des n atomes étaient situés dans le csites immédiatement après la plantation d'ions. c'était la connaissance empirique que l'ionplantation à une température aussi élevée que 500 ° c était nécessaire pour le dopage àsic, la raison pour laquelle, cependant, était inconnue. la raison révélée dans leétude actuelle est qu'il est nécessaire de localiser n dans les sites c avant la chaleurtraitement à haute température. de plus, selon le spectre de larégion inférieure à 400 ev, il est présumé qu'une liaison chimique est formée entrec et n dans un état cristallin désordonné immédiatement après la plantation ionique. commele trouble cristallin se résout à la suite du traitement thermique à hautetempérature, cette liaison chimique se brise, ne laissant que la liaison chimique de n etsi, ce qui est préférable pour le dopage. comme décrit ici, il est révélé quele dopage à sic est complexe et nécessite une méthode complètement différente deque pour le dopage à si, dans lequel la substitution du site de réseau peut êtreréalisé par traitement thermique après implantation ionique à température ambiante.

il est maintenant possible de déterminer le site du réseau de la trace n dopantintroduit dans sic; aucune mesure de ce genre n'était possible jusqu'à présent. en outre,état des liaisons chimiques du dopant n avec les matériaux de base, si et c,est révélé. en combinant sc-xafs et le calcul du premier principe, il estprouvé que la détection et l'analyse microstructurelle d'une trace de laéléments de lumière dans un cristal est possible, les deux étaient impossibles jusqu'àà présent.

la technologie développée devrait contribuer à l'optimisation dele processus de dopage des semiconducteurs sic. en plus de sic, sc-xafs sera appliquéà l'analyse d'autres semiconducteurs à large gap, matériaux magnétiques, etc .;leurs fonctions dépendent des éléments de lumière de trace. de plus, l'améliorationêtre tenté dans la résolution du détecteur de rayons X supraconducteur et lacapacité de la détection d'une quantité de traces d'éléments légers, donc en expansionla gamme des concentrations d'impuretés couvertes par sc-xafs.