o detector de raios-X supercondutor desenvolvido pela aist, usado para identificar n dopantes em uma concentração muito baixa em sic (esquerda) e sc-xafs instalados em uma linha de feixe de fábrica de fótons, kek (direita)

Pesquisadores da Aist desenvolveram um instrumento para espectroscopia de estrutura fina de absorção de raio x (xafs) equipado com um detector supercondutor. Com o instrumento, os pesquisadores perceberam, pela primeira vez, a análise da estrutura local de nitrogênio (n) dopantes (átomos de impureza em uma concentração muito baixa), que foram introduzidos pelo plantio de íons em carboneto de silício ( sic ), um semicondutor de grande abertura, e é necessário que sic seja um semicondutor do tipo n.

espera-se que os dispositivos de energia de semicondutores, que permitem a redução da perda de energia, contribuam para a supressão das emissões de CO2. Para produzir dispositivos usando sic, um dos materiais semicondutores de grande abertura típicos, a introdução de dopantes pelo plantio de íons é necessária para o controle das propriedades elétricas. os átomos dopantes precisam estar localizados no local específico da rede em um cristal. no entanto, não houve um método de análise de microestrutura. sc-xafs foi usado para medir os espectros xafs dos nopentadores a uma concentração muito baixa no cristal sic, e o local de substituição dos nopantes foi determinado por comparação com um cálculo de primeiro princípio. além de sic, sc-xafs pode ser aplicado a semicondutores de grande abertura, como o nitreto de gálio ( gan ) e diamantes, ímãs para motores de baixa perda, dispositivos de spintrônica, células solares, etc.

os resultados serão publicados on-line em relatórios científicos, uma revista científica publicada pelo grupo editorial de natureza, em 14 de novembro de 2012 (horário do reino unido).

O sic tem um intervalo de bandas maior que o dos semicondutores gerais e possui excelentes propriedades, incluindo estabilidade química, dureza e resistência ao calor. portanto, espera-se que seja um semicondutor de economia de energia de próxima geração que pode funcionar em um ambiente de alta temperatura. nos últimos anos, grandes substratos monocristais tornaram-se disponíveis e dispositivos como diodos e transistores apareceram no mercado; no entanto, o doping, necessário para produzir dispositivos com o semicondutor, ainda é imperfeito, evitando que o sic utilize totalmente suas propriedades intrínsecas de economia de energia.

radiografia característica de oxigênio (b) um exemplo dodetecção do nopante em uma concentração muito baixa em sic o pico forte deabundante c in sic e o pico fraco de n são distinguíveis. na inserçãoem (b), o eixo vertical está em uma escala linear. é claro que n existe em umconcentração muito baixa.

doping é um processo em que uma pequena quantidade deimpureza é introduzida (para substituição) em um site de rede cristalina para formar umsemicondutor com elétrons desempenhando um papel importante na condução elétrica(semicondutor do tipo n) ou com furos desempenhando um papel importante nacondução (semicondutor do tipo p). sic é um composto e, portanto, tem um complexoestrutura de cristal, o que significa que doping em sic é de longe mais difícildo que doping em silício (si). desde dopantes devem ser elementos leves talcomo boro, n, alumínio ou fósforo, não havia método de medição para estudarem que local do cristal sic eles estão localizados, ou seja, o site si ou olocal de carbono (c). embora a microscopia eletrônica de transmissão possa visualizar átomos,é difícil distinguir um elemento leve traço de elementos levesconstituindo o material da matriz. determinar locais de rede dopantes, xafsA espectroscopia é eficaz. análise de fluorescência de raios X permite medir xafsespectros de um elemento específico em matrizes, e revela o arranjo atômicoe o estado químico em torno do elemento. até agora, no entanto, tem sido impossívelpara distinguir o raio-x característico de um elemento de luz a um nível muito baixoconcentração daqueles dos elementos da matriz, si e c. a falta dométodo de análise tem impedido o desenvolvimento de semicondutores de grande abertura.

Aist vem desenvolvendo medições avançadastecnologias para pesquisa industrial e estudos científicos, tornando-osdisponível para uso público e padronizando-os. como parte desses esforços,sc-xafs usando uma tecnologia de medição supercondutora foi concluída em 2011. ntem um número atômico maior que c por um. a energia de sua característicaraio-x é de 392 elétron volts (ev); a diferença da de c, 277 ev, éapenas 115 ev. embora a resolução de energia da mais recente radiografia de semicondutoresdetectores é de 50 ou mais, o que é menor do que a diferença, neste momentoresolução, enquanto elementos leves podem ser distinguidos se existiremmontar, não é possível distinguir um elemento de luz a um nível muito baixoconcentração, como dopantes. em contraste, o detector de raios X supercondutordesenvolvido por aist tem a resolução que excede a limitação teórica dedetectores de raios-X semicondutores. portanto, é possível medir os xafsespectro do emissor em sic usando o detector supercondutor ( aist hoje , vol. 12, não. 3).

figura 2: (a) o espectro xafs da bolacha sicsem tratamento térmico imediatamente após o plantio de nons a 500 ° C, eaqueles da bolacha sic tratados termicamente a altas temperaturas após o íonimplantação (b) os espectros xafs assumidos a partir dos cálculos do primeiro princípiocom o site si substituído por n e com o site c substituído por n. adados da experiência concorda com o resultado do cálculo na suposiçãoque os locais c foram substituídos na comparação de (a) os espectros medidose (b) os espectros calculados para os polipos 3c e 4h, que eram doisestrutura cristalina típica sic

este sc-xafs é instalado na linha de feixe bl-11a da fábrica de fótons, keke está disponível ao público desde 2012 em projetos como o aistequipamento avançado que compartilha plataforma de inovação e análise microestruturalplataforma no projeto de plataforma de nanotecnologia. apenas aist e luz avançadafonte nos EUA tem esse tipo de instrumento de medição avançada; e somenteAist desenvolveu um detector supercondutor, a chave do analíticoinstrumento. itc desenvolveu a tecnologia de injeção de íons e o tratamento térmicotecnologia aplicável a amostras sic e fornece aos usuários.

A figura 1 (a) mostra um histograma da resolução de energia de cada elemento deo detector de arranjo supercondutor. a uma resolução máxima de 10 ev, queexcede o limite de 50 ev de detectores semicondutores, o detector pode distinguiruma quantidade mínima de n da matriz c em grande quantidade (fig. 1 (b)),permitindo a aquisição de espectros xafs com precisão utilizável para comparaçãocom o cálculo do primeiro princípio (fig. 2 (b)).

a bolacha sic em que o dopante foi introduzido por plantação de íons emuma temperatura de 500 ° C e as bolachas tratadas termicamente a 1400 ° C ou 1800 ° C apósas plantações de íons foram submetidas à medição dos espectros xafs (fig. 2(uma)). o resultado deste experimento concordou com o cálculo do primeiro princípiocom feff, em que se assumiu que n átomos estavam localizados nos locais c(fig. 2 (b)). assim, foi confirmado que a maioria dos n átomos estavam localizados no clocais imediatamente após o plantio de íons. foi conhecimento empírico que íonplantação a uma temperatura tão alta quanto 500 ° c foi necessário para a dopagemsic, a razão pela qual, no entanto, era desconhecida. a razão revelada nopresente estudo é que é necessário localizar n nos locais c antes do calortratamento a alta temperatura. além disso, de acordo com o espectro noregião inferior a 400 EV, presume-se que uma ligação química é formada entrec e n em um estado cristalino desordenado imediatamente após o plantio de íons. Comoa desordem do cristal resolve como resultado do tratamento térmico em altatemperatura, esta ligação química quebra, deixando apenas a ligação química de n esi, o que é preferível para o doping. como descrito aqui, é revelado queo doping para sic é complexo e requer um método completamente diferente doque para o doping para si, em que a substituição do local da rede pode serrealizado por tratamento térmico após implantação iônica em temperatura ambiente.

agora é possível determinar o site de treliça do rastreamento n dopantintroduzido em sic; nenhuma medida foi possível até agora. além disso, oestado das ligações químicas do nopante com os materiais de base, si e c,é revelado. combinando sc-xafs e o cálculo do primeiro princípio, éprovou que a detecção e análise microestrutural de uma quantidade mínima deelementos de luz em um cristal é possível, ambos os quais eram impossíveis atéagora.

Espera-se que a tecnologia desenvolvida contribua para a otimização deo processo de dopagem de semicondutores sic. além de sic, sc-xafs serão aplicadospara a análise de outros semicondutores de grande abertura, materiais magnéticos, etc .;suas funções dependem dos elementos leves de rastreamento. além disso, a melhoriaser tentado na resolução do detector de raios X supercondutor ecapacidade de detecção de uma quantidade mínima de elementos leves, expandindoa faixa das concentrações de impurezas cobertas por sc-xafs.