光子工場kek（右）のビームラインに設置されたsic（左）およびsc-xafsの非常に低い濃度でn個のドーパントを同定するために使用される、aistによって開発された超伝導X線検出器は、

aist研究者は、超伝導検出器を備えたX線吸収微細構造（xafs）分光法のための機器を開発した。この研究者らは、炭化珪素のイオンプランテーションによって導入された窒素（n）ドーパント（非常に低濃度の不純物原子）の局所構造分析を初めて実現した ic ）、ワイドギャップ半導体であり、sicがn型半導体であるために必要である。

電力損失の低減が可能なワイドギャップ半導体パワーデバイスは、CO2排出量の抑制に貢献することが期待されます。典型的なワイドギャップ半導体材料の一つであるsicを用いてデバイスを製造するためには、イオンプランテーションによるドーパントの導入が電気的特性の制御に必要である。ドーパント原子は、結晶中の特定の格子位置に配置される必要がある。しかし、微細構造解析法はなかった。 sc-xafsを用いて、n型ドーパントのxafsスペクトルを結晶中の非常に低い濃度で測定し、nドーパントの置換サイトを第一原理計算との比較により決定した。 sicに加えて、sc-xafsは、窒化ガリウムなどのワイドギャップ半導体にも適用できます（ ガン ）、ダイヤモンド、低損失モーター用磁石、スピントロニクス装置、太陽電池など

結果は2012年11月14日（uk時間）に自然界の出版グループが発行する科学誌「科学的報告書」にオンラインで掲載されます。

一般的な半導体よりもバンドギャップが大きく、化学的安定性、硬度、耐熱性などの優れた特性を有しています。高温環境下でも機能する次世代の省エネ半導体として期待されている。近年、大型の単結晶シリコン基板が利用可能となり、ダイオードやトランジスタなどのデバイスが市場に登場しました。しかし、半導体を用いてデバイスを製造するために必要なドーピングは、依然として不完全であり、本質的な省エネルギー特性を完全に利用することができない。

酸素の特徴的なX線（b）非常に低い濃度のnドーパントの検出sicの豊富なcとnの弱いピークは区別できます。挿入時（b）において、縦軸はリニアスケールである。 nがaに存在することは明らかである。非常に低い濃度。

ドーピングは、少量の不純物が結晶格子部位に導入され（置換のために）、電気伝導に大きな役割を果たす電子を持つ半導体（n型半導体）または電気的に重要な役割を果たしているホール伝導（p型半導体）。 sicは化合物であり、したがって複合体これは、SICへのドーピングがはるかに困難であることを意味するシリコン（Si）にドーピングするよりも。ドーパントは 軽元素 そのようなボロン、n、アルミニウム、またはリンとして、勉強する測定方法はありませんでしたシッククリスタルのどの場所、すなわちサイサイトまたは炭素（c）サイ​​ト。透過電子顕微鏡法は原子を可視化することができるが、微量元素を軽元素と区別することは困難であるマトリックス材料を構成する。ドーパント格子点を決定するために、xafs分光法が有効である。 X線蛍光分析によりxafsの測定が可能マトリックス中の特定の元素のスペクトル、および原子配列を明らかにする元素の周りの化学状態との関係を示す。これまでのところ、不可能だった軽元素の特徴的なX線を非常に低い濃度は、マトリックス要素の濃度、siおよびcから計算される。の欠如解析法はワイドギャップ半導体の開発を妨げている。

aistは高度な計測を開発しています産業研究と科学研究のための技術一般に公開されており、それらを標準化しています。これらの取り組みの一環として、超伝導測定技術を用いたsc-xafsが2011年に完成しました。cより1大きい原子番号を持つ。その特性のエネルギーX線は392電子ボルト（ev）である。 c、277 evのそれとの違いは、たった115 ev。最新の半導体X線のエネルギー分解能これよりも小さい50ev程度である解像度が高いのに対し、軽い要素は大きな要素マウントすると、非常に軽い要素を区別することはできませんドーパントのような濃度である。対照的に、超伝導X線検出器理論的な限界を超える解決策を持っている半導体X線検出器。したがって、xafsを測定することは可能です超伝導検出器を用いたnドーパントのスペクトル 今日の援助 、 vol。 12、no。 3）。

図2：（a）ウェハのxafsスペクトル500℃でのnイオンプランテーション直後の熱処理なしで、およびイオンの後の高温で熱処理されたウエハのもの（b）第1原理計算から仮定したxafsスペクトルsiサイトはnで置き換えられ、cサイトはnで置き換えられます。その実験データは仮定の計算結果と一致するcサイトが、（a）測定されたスペクトル（b）3cおよび4hポリタイプについての計算されたスペクトルは2つであり典型的な結晶構造

このsc-xafsは光子工場のbl-11aビームラインkekにインストールされていますエイストのようなプロジェクトで2012年から一般に公開されています高度な機器共有のイノベーションプラットフォームと微細構造解析ナノテクノロジプラットフォームプロジェクトのプラットフォームです。唯一の光と高度な光アメリカのソースは、この種の高度な測定機器を持っています。唯一のaistは、超伝導検出器を開発しました。楽器イオン注入技術と熱処理を開発技術を利用してユーザーにサンプルを提供します。

図1（a）は、各元素のエネルギー分解能のヒストグラムを示す。超電導アレイ検出器。最大分解能10 evで、半導体検出器の50 evの限界を超えると、検出器は、（図1（b））、行列cからの微量のnが多量に比較に使用できる精度でxafsスペクトルを取得することができます（図2（b））。

nドーパントがイオンプランテーションによって導入されたシリコンウェーハ500℃の温度、1400℃または1800℃で熱処理したウエハイオンプランテーションをxafsスペクトルの測定に供した（図2（a））。この実験の結果は第一原理計算と一致したfeffを用いて、n個の原子がcサイトに位置すると仮定した（図2（b））。したがって、n個の原子の大部分がcに位置することが確認されたイオンプランテーション直後のサイト。それは経験的な知識であったドーピングには500°Cほどの高温でプランテーションが必要であったしかし、その理由は不明であった。その理由は現在の研究は、熱の前にc部位にnを配置することが必要であるということである高温での処理。また、400evよりも低い領域では、化学結合が形成されていると推定されるc、nはイオンプランテーション直後の不規則な結晶状態である。として高レベルでの熱処理の結果として結晶障害が解決するこの化学結合は破壊され、nの化学結合のみが残るSiであり、これはドーピングにとって好ましい。ここで説明するように、sicへのドーピングは複雑であり、完全に異なる方法を必要とするSiへのドーピングのために、格子サイト置換が可能である室温でのイオン注入後の熱処理により実現される。

トレースnドーパントの格子サイトを決定することが今や可能であるsicに導入された。このような測定はこれまで可能ではなかった。さらに、nドーパントの化学結合の状態をベース材料、siおよびcとの関係、明らかにされる。 sc-xafsと第一原理計算を組み合わせると、微量の微生物の検出および微構造分析が、結晶中の軽元素が可能であり、どちらも不可能であった。今。

開発された技術は、半導体のドーピングプロセス。 sicのほかに、sc-xafsが適用されます他のワイドギャップ半導体、磁性材料などの分析。それらの機能はトレースライト要素に依存します。さらに、改善が超伝導X線検出器の分解能を痕跡量の軽元素を検出する能力sc-xafによって覆われる不純物濃度の範囲。