大久保正孝（所长）等人、米乐m6官方网站（AIST；所长：野间口保）仪器前沿研究所、高能加速器研究机构（KEK；所长：铃木笃人）材料结构科学研究所和离子技术中心株式会社（ITC；代表董事兼总裁：由纪）合作Ishigaki）开发了一种配备超导探测器的 X 射线吸收精细结构（XAFS）光谱仪。利用该仪器，研究人员首次实现了氮（N）掺杂剂（极低浓度的杂质原子）的局域结构分析，氮（N）掺杂剂是通过离子注入在宽禁带半导体碳化硅（SiC）中引入的，这对于SiC成为n型半导体是必要的。

宽禁带半导体功率器件可减少功率损耗，有望有助于抑制CO₂排放。为了使用典型的宽禁带半导体材料之一碳化硅（SiC）生产器件，需要通过离子注入引入掺杂剂来控制电性能。掺杂剂原子需要位于晶体中的特定晶格位置。但目前还没有显微组织分析方法。采用SC-XAFS测量了SiC晶体中极低浓度N掺杂剂的XAFS光谱，通过与第一原理计算的比较确定了N掺杂剂的取代位点。除了SiC之外，SC-XAFS还可应用于氮化镓（GaN）和金刚石等宽禁带半导体、低损耗电机磁体、自旋电子器件、太阳能电池等。

结果将在线发布于科学报告，自然出版集团出版的科学期刊，2012 年 11 月 14 日（英国时间）。

图：AIST 开发的超导 X 射线探测器，用于快速识别 N 掺杂剂 低浓度 SiC（左）和安装在 KEK 光子工厂光束线上的 SC-XAFS（右）

SiC具有比一般半导体更大的带隙，并具有化学稳定性、硬度和耐热性等优异的性能。因此，有望成为能够在高温环境下工作的下一代节能半导体。近年来，大型单晶SiC衬底问世，二极管、晶体管等器件上市；然而，生产半导体器件所必需的掺杂仍然不完善，阻碍了 SiC 充分利用其固有的节能特性。

掺杂是一种将少量杂质引入（用于取代）晶格位点以形成电子在导电中起主要作用（n型半导体）或空穴在导电中起主要作用（p型半导体）的半导体的过程。 SiC是一种化合物，因此具有复杂的晶体结构，这意味着掺杂到SiC中比掺杂到硅(Si)中困难得多。由于掺杂剂应该是硼、氮、铝或磷等轻元素，因此没有测量方法来研究它们位于SiC晶体中的哪个位点，即Si位点或碳(C)位点。虽然透射电子显微镜可以使原子可视化，但很难将痕量轻元素与构成基质材料的轻元素区分开。为了确定掺杂剂晶格位置，XAFS 光谱是有效的。 X 射线荧光分析可以测量基质中特定元素的 XAFS 光谱，并揭示元素周围的原子排列和化学状态。然而，迄今为止，还无法将极低浓度的轻元素的特征X射线与基体元素Si和C的特征X射线区分开来。分析方法的缺乏阻碍了宽禁带半导体的发展。

AIST 一直致力于开发用于工业研究和科学研究的先进测量技术，使其可供公众使用，并对其进行标准化。作为这些努力的一部分，采用超导测量技术的 SC-XAFS 于 2011 年完成。N 的原子序数比 C 大 1。其特征X射线的能量为392电子伏特（eV）；与C的277 eV仅相差115 eV。虽然最新的半导体X射线探测器的能量分辨率为50eV左右，比差值要小，但在这个分辨率下，虽然可以区分大量存在的轻元素，但无法区分浓度非常低的轻元素，例如掺杂剂。相比之下，AIST开发的超导X射线探测器的分辨率超过了半导体X射线探测器的理论极限。因此，可以使用超导探测器测量SiC中N掺杂剂的XAFS光谱（今日 AIST，卷。 12号3号[ PDF:859KB ])

该SC-XAFS安装在KEK光子工厂的BL-11A光束线中，自2012年起在AIST先进设备共享创新平台和纳米技术平台项目中的微观结构分析平台等项目中向公众开放。这种先进的测量仪器只有美国AIST和Advanced Light Source拥有；只有日本综合技术研究所（AIST）开发出了分析仪器的关键——超导探测器。 ITC开发了适用于SiC的离子注入技术和热处理技术，并向用户提供样品。

图1（a）显示了超导阵列探测器每个元件的能量分辨率的直方图。在最大分辨率为10 eV时，超过了半导体探测器50 eV的极限，探测器可以从矩阵C中大量地区分微量的N（图1（b）），从而能够准确地获取XAFS光谱，可用于与第一原理计算进行比较（图2（b））。

对在500℃的温度下通过离子注入引入N掺杂剂的SiC晶片以及离子注入后在1400℃或1800℃下热处理的晶片进行XAFS光谱的测量（图2（a））。该实验的结果与FEFF的第一原理计算一致，其中假设N原子位于C位（图2（b））。因此，证实了大多数N原子位于紧接离子注入之后的C位点上。根据经验，SiC 掺杂需要在高达 500 °C 的温度下进行离子注入，但其原因尚不清楚。本研究揭示的原因是，在高温热处理之前，有必要将N定位在C位上。此外，根据低于400eV的区域中的光谱，推测在离子注入后立即在无序晶体状态的C和N之间形成化学键。由于高温热处理导致晶体无序消失，该化学键断裂，仅留下N和Si的化学键，这对于掺杂是优选的。如上所述，表明SiC的掺杂是复杂的，并且需要与Si的掺杂完全不同的方法，其中晶格位置替换可以通过在室温下离子注入后的热处理来实现。

现在可以确定 SiC 中引入的痕量 N 掺杂剂的晶格位置；迄今为止还不可能进行这样的测量。此外，还揭示了 N 掺杂剂与基材 Si 和 C 的化学键状态。通过SC-XAFS与第一原理计算的结合，证明了晶体中微量轻元素的检测和微观结构分析是可能的，这两者都是迄今为止不可能实现的。

图 1：(a) 超导 X 射线探测器相对于氧的特征 X 射线的能量分辨率 (b) 检测 SiC 中极低浓度 N 掺杂剂的示例 SiC 中丰富的 C 的强峰和 N 的弱峰是可以区分的。在(b)的插入中，纵轴是线性刻度的。很明显，N 的浓度非常低。

图2：(a)在500℃下进行N离子注入后立即进行热处理的SiC晶片的XAFS光谱，以及在离子注入后进行高温热处理的SiC晶片的XAFS光谱(b)根据第一性原理计算假设的XAFS光谱，其中Si位点被N替换，C位点被N替换 对于两种典型的 SiC 晶体结构 3C 和 4H 多型体，在 (a) 测量光谱和 (b) 计算光谱的比较中，实验数据与假设 C 位点被替换的计算结果一致。

所开发的技术有望有助于SiC半导体掺杂工艺的优化。除SiC外，SC-XAFS还将应用于其他宽禁带半导体、磁性材料的分析，等;它们的功能取决于微量轻元素。此外，还将尝试提高超导X射线探测器的分辨率和微量轻元素的探测能力，从而扩大SC-XAFS覆盖的杂质浓度范围。