独立行政机构产业技术综合研究所[会长：野间口佑]（以下简称“AIST”）测量前沿研究部研究部部长大久保正孝等人与高能加速器研究机构（所长：铃木笃人）（以下简称“KEK”）、材料结构科学研究所、永旺科技中心株式会社[石垣由纪社长]（以下简称“永旺科技中心”）合作超导性配备探测器X射线吸收精细结构开发了分光装置（SC-XAFS）宽带隙半导体碳化硅（SiC）功能表达所需的离子注入氮（N）掺杂剂的精细结构（痕量杂质原子）。
宽禁带半导体功率器件有望通过减少功率损耗来减少二氧化碳排放。为了使用碳化硅（一种典型的宽禁带半导体材料）制造器件，必须添加掺杂剂。离子注入添加以控制电气特性兴奋剂9034_9161第一性原理计算比较来确定N的晶格位置。 SC-XAFS可以测量N等微量轻元素，这在以前是不可能的，因此有望应用于SiC、氮化镓、金刚石等宽禁带半导体、电机磁性材料、自旋电子器件、太阳能电池等的测量和分析。
该结果发表于2012年11月14日（英国时间）自然出版集团学术期刊《科学报告
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| 由 AIST 开发的超导 X 射线探测器，用于识别 SiC 中的痕量 N 掺杂剂（左）以及配备该探测器并安装在 KEK 光子工厂光束线上的 SC-XAFS（右） |
SiC具有比一般半导体更宽的带隙，并且具有优异的化学稳定性、硬度和耐热性，因此有望成为可在高温下工作的下一代节能半导体。近年来，制造大型单晶衬底已成为可能，二极管、晶体管等器件已实现商业化，但将半导体转变为器件所需的掺杂不完全，SiC固有的节能特性无法充分发挥。
掺杂是将微量杂质引入基材晶格（取代）的过程，电子主要有助于半导体中的导电（n型半导体）或空穴主要有助于导电的半导体（p的过程型半导体）。由于SiC是一种化合物，它具有复杂的晶体结构，并且比硅（Si）更难掺杂。此外，掺杂剂是诸如硼、氮、铝和磷之类的轻元素，并且存在无法测量这些元素如何占据SiC晶体中的Si位点或碳(C)位点的问题。例如，透射电子显微镜中，很难区分构成基材的轻元素和微量轻元素掺杂剂。确定掺杂剂晶格位置的有效方法是X射线吸收精细结构光谱（XAFS光谱），它利用特定元素的特征X射线测量其X射线吸收精细结构，并研究该元素周围的原子排列和化学状态。然而，迄今为止，还无法区分母材中大量存在的Si和C的特征X射线与微量轻元素。缺乏微观结构分析工具一直是宽禁带半导体发展的障碍。
AIST 正在推动工业产品研发和科学研究中使用的先进测量技术的开发、公开披露和标准化。作为这项工作的一部分，我们致力于开发利用超导测量技术的SC-XAFS，并于2011年完成了该装置。N的原子序数比C大1，其特征X射线能量为392电子伏特(eV)，与C的277 eV相差115 eV。现代半导体X射线探测器的能量分辨率约为50 eV，小于这个差异。然而，在这种分辨率下，当存在大量轻元素时，可以区分，但无法区分掺杂剂等微量轻元素的特征X射线，因为它们被埋在构成基材的大量轻元素的X射线中。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，可以测量SiC中N掺杂剂的XAFS光谱（日本科学技术协会今日第 12 卷第 3 期）。
该 SC-XAFS 已安装在 KEK Photon 工厂的光束线 BL-11A 上，自 2012 年起，AIST先进装备共享创新平台是啊纳米技术平台业务我们开始在一个名为微观结构分析平台的系统下公开它。唯一拥有此类先进测量和分析设备的国家是美国。先进光源，并且只有AIST可以开发超导探测器，这是主要技术。 Ion Techno Center开发了SiC等材料的离子注入技术和热处理技术，并提供给用户。
图1(a)是超导阵列探测器各单元能量分辨率值的直方图。使用分辨率高达 10 eV（超过半导体 50 eV 极限）的超导阵列探测器，我们能够区分大量的 C 和痕量的 N（图 1(b)），并获得精度可与第一性原理计算进行比较的 XAFS 光谱（图 2(a)）。
我们测量了在 500 °C 温度下离子注入 N 掺杂剂的 SiC 晶圆以及离子注入后在 1400 °C 和 1800 °C 下热处理的晶圆的 XAFS 光谱（图 2（a））。实验结果假设N占据C位FEFF第一性原理计算结果一致（图2（b）），并且证实在离子注入后N几乎完全占据C位点。尽管从经验中得知，掺杂SiC需要500℃高温下的离子注入，但其原因尚不清楚。这次透露的原因是，在高温热处理之前，N需要占据C位。此外，根据低于400eV的光谱形状，认为当离子注入后晶体结构立即无序时，C和N之间出现化学键。当通过高温热处理恢复晶体无序时，该化学键消失，仅留下N和Si之间的化学键，这对于掺杂来说是理想的。通过这种方式，我们可以清楚地看出，SiC 中的掺杂所涉及的微观结构变化与 Si 中的微观结构变化完全不同，Si 中的热处理仅促进掺杂剂原子的晶格取代。
我们能够确定微量 N 掺杂剂离子注入 SiC 的晶格位置，这是以前从未测量过的。此外，还揭示了N掺杂剂与基材Si和C之间的化学键状态的变化。通过结合 SC-XAFS 和第一原理计算，我们证明可以检测晶体中存在的微量轻元素并分析其微观结构，这在以前是不可能的。
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图1(a)超导X射线探测器对氧特征X射线的能量分辨率
(b) 检测微量 N（SiC 中的掺杂剂）的示例
可以区分SiC中大量存在的C峰(C)和微量N峰(N)。
(b)的插图中，纵轴是线性刻度，可以看出N的量很小。 |
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图2（a）在500℃下将N离子注入SiC后立即和在高温下热处理后未经热处理的SiC晶片的XAFS光谱； (b) 当 N 取代 Si 位点和 N 取代 C 位点时，根据第一次原子计算预测的 XAFS 光谱
比较 (a) 中测量的光谱形状和 (b) 中所示的两种典型 SiC 晶体结构类型（3C 和 4H）的计算光谱形状，实验结果与假设 C 位取代的计算结果一致。 |
有望为SiC半导体掺杂工艺的优化做出贡献。除了SiC之外，它还将应用于其他宽禁带半导体和磁性材料的微结构分析，其中少量的轻元素发挥着表达其功能的作用。此外，我们计划通过提高超导X射线探测器的分辨率和检测微量轻元素的能力来扩大SC-XAFS可以覆盖的杂质浓度范围。