كاشف الأشعة السينية فائقة التوصيل الذي طورته aist ، ويستخدم لتحديد n dopants بتركيز منخفض جداً في sic (يسار) و sc-xafs مثبت على خط شعاع مصنع الفوتون ، kek (يمين)

طور باحثون أخصائيون جهازًا مطياعيًا لامتصاص الأشعة السينية للأشعة السينية (xafs) المجهز بكاشف فائق التوصيل. مع الصك ، أدرك الباحثون ، لأول مرة ، تحليل البنية المحلية للنيتروجين (n) dopants (ذرات الشوائب عند تركيز منخفض جدا) ، والتي تم إدخالها عن طريق زرع الأيونات في كربيد السيليكون ( هكذا ) ، وأشباه الموصلات واسعة الفجوة ، وهي ضرورية لكي يكون sic أشباه الموصلات من النوع n.

من المتوقع أن تسهم أجهزة طاقة أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة ، والتي تتيح تقليل فقدان الطاقة ، في قمع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. لإنتاج الأجهزة باستخدام sic ، واحدة من المواد شبه الموصلات ذات الفجوة العريضة النموذجية ، فإن إدخال dopants بواسطة زراعة أيون ضروري للتحكم في الخواص الكهربائية. يجب أن تكون الذرات المنشقة موجودة في موقع شعرية معين في بلورة. ومع ذلك ، لم تكن هناك طريقة تحليل المجهرية. تم استخدام sc-xafs لقياس أطياف xafs من n dopants عند تركيز منخفض جدا في البلورة sic ، وتم تحديد موقع الاستبدال n dopants بالمقارنة مع حساب المبدأ الأول. بالإضافة إلى sic ، يمكن تطبيق sc-xafs على أشباه الموصلات واسعة الفجوة مثل نيتريد الغاليوم ( قان ) والماس ، ومغناطيسات للمحركات منخفضة الخسارة ، وأجهزة spintronics ، والخلايا الشمسية ، الخ

سيتم نشر النتائج عبر الإنترنت في التقارير العلمية ، وهي مجلة علمية تنشرها مجموعة نشر الطبيعة ، في 14 نوفمبر 2012 (بتوقيت المملكة المتحدة).

لدى sic فجوة نطاق أكبر من تلك الخاصة بأشباه الموصلات العامة وتمتلك خصائص ممتازة بما في ذلك الاستقرار الكيميائي والصلابة ومقاومة الحرارة. لذلك ، فمن المتوقع أن يكون الجيل القادم من أشباه الموصلات الموفرة للطاقة والتي يمكن أن تعمل في بيئة عالية الحرارة. في السنوات الأخيرة ، أصبحت ركائز sic كبيرة أحادية البلورة متوفرة وظهرت أجهزة مثل الثنائيات والترانزستورات في السوق ؛ ومع ذلك ، فإن تناول المنشطات ، وهو أمر ضروري لإنتاج أجهزة مع أشباه الموصلات ، لا يزال غير كامل ، مما يمنع sic من الاستفادة الكاملة من خصائصه الموفرة للطاقة.

الأشعة السينية المميزة للأكسجين (ب) مثال علىالكشف عن n dopant في تركيز منخفض جدا في sic ذروة قوية منوفيرة c في sic والذروة الضعيفة n هي مميزة. في الإدراجفي (b) ، يكون المحور الرأسي في مقياس خطي. من الواضح أن ن موجود فيتركيز منخفض جدا.

المنشطات هي عملية فيها كمية صغيرة منيتم إدخال النجاسة (للاستبدال) في موقع شعرية كريستال لتشكيلأشباه الموصلات مع الإلكترونات تلعب دورا رئيسيا في التوصيل الكهربائي(أشباه الموصلات من نوع n) أو مع الثقوب تلعب دورا رئيسيا في الكهرباءالتوصيل (p-type semiconductor). sic هو مركب ، وبالتالي لديه معقدةالبنية البلورية ، مما يعني أن تناول المنشطات في sic هو أكثر صعوبة بكثيرمن تناول المنشطات في السيليكون (si). حيث يجب أن تكون الدوبنتس عناصر الضوء هذهمثل البورون ، ن ، الألومنيوم ، أو الفوسفور ، لم يكن هناك طريقة قياس للدراسةفي أي موقع في البلورة sic أنها تقع ، وهي موقع si أوالكربون (ج) الموقع. على الرغم من أن المجهر الإلكتروني النافذ يمكنه تصور الذرات ،من الصعب تمييز عنصر الضوء التتبع من عناصر الضوءتشكل مادة المصفوفة. لتحديد المواقع شعرية dopant ، xafsالطيفي هو فعال. تحليل مضان الأشعة السينية يسمح لقياس xafsأطياف عنصر محدد في المصفوفات ، ويكشف عن الترتيب الذريوالحالة الكيميائية حول العنصر. لكن حتى الآن ، كان مستحيلاًلتمييز الأشعة السينية المميزة لعنصر خفيف عند درجة منخفضة جدًاتركيز من عناصر المصفوفة ، si و c. عدم وجودطريقة التحليل قد أعاقت تطوير أشباه الموصلات واسعة الفجوة.

وقد تم تطوير aist قياس المتقدمةتقنيات البحوث الصناعية والدراسات العلمية ، مما يجعلهامتاحة للاستخدام العام ، وتوحيدها. كجزء من هذه الجهود ،وقد اكتمل استخدام sc-xafs باستخدام تكنولوجيا قياس فائقة التوصيل في عام 2011. nله رقم ذري أكبر من c بواحد. الطاقة من سماتهاالأشعة السينية هي 392 إلكترون فولت (ev) ؛ الفرق من ذلك من ج ، 277 هو ، هوفقط 115 ev. على الرغم من أن حل الطاقة لأحدث الأشعة السينية أشباه الموصلاتأجهزة الكشف 50 أو نحو ذلك ، وهو أصغر من الفرق ، في هذاالقرار ، في حين يمكن تمييز العناصر الخفيفة إذا كانت موجودة في مجموعة كبيرةجبل ، ليس من الممكن تمييز عنصر الضوء في منخفض جداالتركيز ، مثل dopants. في المقابل ، للكشف عن الأشعة السينية فائقة التوصيلوضعت من قبل aist لديه القرار الذي يتجاوز الحد النظري لأشباه الموصلات بالأشعة السينية. لذلك ، من الممكن قياس xafsالطيف من n dopant in sic باستخدام كاشف التوصيل الفائق ( اصر اليوم ، المجلد. 12 ، لا. 3).

الشكل 2: (أ) طيف xafs من رقاقة sicبدون معالجة حرارية مباشرة بعد مزرعة أيون في 500 درجة مئوية ، وتلك من رقاقة sic المعالجة بالحرارة في درجات الحرارة العالية بعد الأيونزرع (ب) افترض xafs أطياف من الحسابات المبدأ الأولمع استبدال الموقع s بـ n ومع استبدال الموقع c بـ n. التوافق بيانات التجربة مع نتيجة الحساب على الافتراضأنه تم استبدال المواقع c في مقارنة (أ) الأطياف المقاسةو (ب) الأطياف المحسوبة للأنماط المتعددة 3c و 4 h ، التي كانت عبارة عن نوعينهيكل الكريستال نموذجي sic

يتم تثبيت هذا sc-xafs في خط شعاع bl-11a من مصنع الفوتون ، كيكومتاح للجمهور منذ عام 2012 في مشاريع مثل أونيستتقاسم منصة الابتكار منصة المعدات والتحليل المجهريمنصة في مشروع منصة تكنولوجيا النانو. فقط ضوء سطوع ومتقدممصدر في الولايات المتحدة لديها هذا النوع من أداة القياس المتقدمة. و فقطوضعت aist كاشف فائقة التوصيل ، ومفتاح التحليليصك. قامت شركة itc بتطوير تقنية الحقن الأيوني والمعالجة الحراريةالتكنولوجيا المطبقة على sic واللوازم العينات للمستخدمين.

يوضح الشكل 1 (أ) الرسم البياني لقرار الطاقة لكل عنصر من عناصركاشف صفيف فائق التوصيل. في أقصى قرار من 10 ev ، والتييتجاوز الحد 50 من أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات ، يمكن للكشف أن يميزكمية ضئيلة من n من المصفوفة c بكمية كبيرة (الشكل 1 (b)) ، وهكذاتمكين اكتساب xafs spectra مع دقة قابلة للاستخدام للمقارنةمع حساب المبدأ الأول (الشكل 2 (ب)).

الويفر الويفي الذي أدخل n dopant عن طريق زرع الأيونات فيدرجة حرارة 500 درجة مئوية والرقائق المعالجة بالحرارة عند 1400 درجة مئوية أو 1800 درجة مئوية بعد ذلكتعرضت مزرعة الأيون لقياس أطياف xafs (الشكل 2(ا)). وافقت نتيجة هذه التجربة مع الحساب المبدئي الأولمع feff ، حيث كان من المفترض أن n توجد ذرات في المواقع c(شكل 2 (ب)). وبالتالي ، فقد تأكد أن معظم الذرات n كانت موجودة في cمواقع مباشرة بعد مزرعة الأيونات. كانت المعرفة التجريبية أن الأيونالمزرعة عند درجة حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية كان ضروريا للمنشطات لكذا ، السبب الذي كان غير معروف. السبب كشف فيالدراسة الحالية هي أنه من الضروري تحديد موقع n في مواقع c قبل الحرارةالعلاج في درجة حرارة عالية. علاوة على ذلك ، وفقا للطيف فيالمنطقة أقل من 400 ev ، من المفترض أن يتم تشكيل رابطة كيميائية بينc و n في حالة بلورة غير منتظمة مباشرة بعد زراعة الأيونات. مثلاضطراب البلور يقرر نتيجة للمعالجة الحرارية عاليةدرجة الحرارة ، وهذا الرابطة الكيميائية يكسر ، وترك فقط الرابطة الكيميائية من ن وsi ، وهو الأفضل للتعاطي. كما هو موضح هنا ، يتم الكشف عن ذلكالمنشطات إلى sic معقدة وتتطلب طريقة مختلفة تماما عنأنه بالنسبة للمنشطات إلى si ، حيث يمكن أن يكون استبدال موقع الشبكةأدركت من قبل المعالجة الحرارية بعد زرع أيون في درجة حرارة الغرفة.

أصبح من الممكن الآن تحديد موقع شعرية n trapt n dopantقدم في sic؛ لم يكن مثل هذا القياس ممكنا حتى الآن. علاوة على ذلك ، فإنحالة الروابط الكيميائية لـ n dopant بالمواد الأساسية ، si و c ،تم إظهاره. من خلال الجمع بين sc-xafs وحساب المبدأ الأول ، هوأثبتت أن الكشف والتحليل المجهري لكمية ضئيلة منالعناصر الخفيفة في البلور ممكن ، وكلاهما كان مستحيلاً حتىالآن.

ومن المتوقع أن تسهم التكنولوجيا المتقدمة في تحسينعملية المنشطات لأشباه الموصلات. بالإضافة إلى sic ، سيتم تطبيق sc-xafsلتحليل أشباه الموصلات الأخرى ذات الفجوة العريضة ، والمواد المغناطيسية ، وما إلى ذلك ؛تعتمد وظائفها على عناصر الضوء التتبع. علاوة على ذلك ، سوف تحسنحاول في حل كاشف الأشعة السينية فائقة التوصيل والقدرة على الكشف عن كمية ضئيلة من عناصر الضوء ، وبالتالي التوسعمجموعة من تركيزات الشوائب التي تغطيها sc-xafs.