V体育器件半导体中硼形成的特殊结构-中子全息技术开发的3D局域结构科学-

V体育
茨城大学
广岛市立大学
日本原子能机构
J-PARC 中心

演示要点

〇〇我们在世界上首次确定了V体育器件SiC中轻元素掺杂剂的状态。
〇〇这是只有日本才能做到的“白色中子束全息术”的全面使用。
〇〇我们将作为日本引以为豪的轻元件战略的关键技术做出贡献。

摘要

　V体育工学研究生院林浩一教授、茨城大学理工学院研究生院小山健二教授、广岛市立大学信息科学研究生院八方直久副教授、日本原子能机构J-PARC中心首席研究员原田雅秀、及川健首席研究员Hajime Hajime、副首席研究员Yasuhiro Inamura等人共同成功获得了硼周围的精确原子图像，该团队利用日本的“白中子全息技术”，在典型的功率器件半导体材料碳化硅（SiC）中添加了一种元素，并将其投入实际应用。结果发现，硼优先侵入六个晶体位点中的两个。还发现硼在附近引起不连续界面。
全息术（注1）是一种以三维方式记录物体的成像方法。通过使用波长与原子相似的中子的全息术，可以获得材料内部的三维原子图像。特别是，它已被证明对氢和硼等轻元素成像有效，有望有助于识别材料中轻元素掺杂剂（注2）的状态。该结果中发现的独特结构是使用X射线衍射（注3）和电子显微镜等常规方法无法发现的。稀土等稀有元素依赖国外的日本正在积极研究如何将丰富的元素组合起来，发挥与稀有元素相同的作用。特别是，通过添加大量存在的轻元素来强化材料功能的研究正在作为国家战略之一得到推动。除了这里介绍的功率半导体之外，轻元素的有效利用是开发创新蓄电池和电动汽车电机磁体等能源相关材料的重要因素。从这个角度来看，“白色中子全息术”的作用未来将变得更加重要，有望为新材料研发的突破做出贡献。

　该研究结果将于2022年3月28日发表
　（本文中的全息图像被用作3月28日号的封面图像）

角色分工

·中子全息术：Koichi Hayashi教授、Maximilian Lederer博士、Yohei Fukumoto先生、Masashi Goto先生、Yuta Yamamoto先生、Naohisa Happo副教授、首席研究员Masahide Harada、首席研究员Kenichi Oikawa、副首席研究员Yasuhiro Inamura、Kenji Oyama教授
·样品培养：Maximilian Lederer博士，Peter Wellmann教授

研发背景

　支持现代社会基础设施的基本技术之一是使用半导体的各种设备的开发。硅仍然是主流半导体材料，但为了满足更高V体育和更高速通信的需求，迫切需要开发能够高效控制和无损耗转换V体育的V体育器件。碳化硅（SiC）晶体是一种很有前途的候选材料，全球范围内开发高质量晶体晶片的竞争正在加剧。然而，这种SiC（6H-SiC）（注5）的晶体结构并不像硅那么简单，只有一个晶位，而是一种更复杂的结构，有六个不同的晶位。为了使这些半导体发挥作用和运行，有必要添加少量的杂质（掺杂剂）。据预测，SiC作为半导体的特性将根据SiC硼进入的六个位点中的位置而变化，因此与硅不同，需要控制掺杂剂位点，并且需要更先进的晶体生长技术。然而，硼、氮等轻元素掺杂剂没有合适的观察方法，无法确定它们位于哪个位点。因此，我们应用林教授、小山教授等人开发并实用化的“白中子全息术”，对6H-SiC中少量添加的硼的结构进行了分析，成功确定了其结构。

图1 硅(Si) 和6H 型碳化硅(6H-SiC) 的晶体结构。硅只有1个晶位，而6H型碳化硅有6个晶位。 “'”表示等效站点，本文不区分它们。

研究内容/结果

“白色中子全息术”是一种通过用各种波长的中子照射样品并观察元素特有的伽马射线，可以一次测量100多个不同波长的全息图的方法。通过对这种“多波长全息图”进行数值处理，可以获得极其精确的原子图像。这是日本独有的技术，可以利用来自高强度质子加速器设施J-PARC（茨城县东海村）的世界上最强的白中子来实现（注4），并受到世界各地的关注。在这项研究中，我们测量了硼发射的伽马射线，以创建多波长全息图，记录硼周围的原子排列。图 2(a) 显示了在特定波长 (049 Å) 处切割的全息图。
　通过对观察到的全息图进行数值处理，可以重建硼周围的原子图像，如图2（b）所示。硼存在于中心坐标（原点）处。在这里，在硼下方观察到许多原子图像，但在硼上方却没有观察到。这一结果强烈表明，硼正上方存在不连续界面。

图 2 (a) 中子全息图和 (b) 硼 (B) 掺杂 6H 型碳化硅 (6H-SiC) 的原子图像。 (a) 中的全息图的波长为 049 Å。 (b)中的红色圆圈表示被硼取代的位置处的元素的原子位置(例如，被Si取代时的Si)。另一方面，蓝色圆圈表示与取代元素不同的原子位置。在(b)中，观察到紧邻硼的原子图像，但没有观察到虚线上方的原子图像。这表明硼正上方存在不连续界面。

　

接下来，我们使用重建的较低原子图像确定了硼占据的位置。我提到硼有六种不同的位点，但详细来说，有三种类型：Si-h、Si-c1和Si-c2，它们最初被硅（Si）占据，以及三种类型：C-h、C-c1和C-c2，它们最初被碳（C）占据。每个位置的含硼原子图像的图案是不同的。因此，如果只有一个位点含有硼，那就很容易判断，但情况却没有那么简单。因此，这里我们假设多个地点含有硼，并使用称为最速下降法（注6）的计算方法来确定地点占用率。结果发现，375％的硼存在于Si-c2中，614％的硼存在于C-c2中，而在其他位点中几乎不存在硼。能够以这种方式定量确定添加硼的位置是世界首创。
图3是结合上述结果创建的硼周围区域的模型图。 Si-c2和C-c2是相邻位点，认为硼集中于此。人们还认为浓缩的硼发挥了某种作用，在其正上方形成了不连续的界面。之所以放在正上方，与生长SiC晶体的方法有很大关系。许多晶体（例如硅）是通过凝固熔融材料来生长的，但 SiC 是使用称为物理气相沉积（注 7）的方法生产的，该方法通过从下到上一次堆叠一层原子来形成晶体，如图 3 所示。因此，人们认为，当硅或碳直接沉积在进入 Si-c2 和 C-c2 的硼顶部时，会形成不连续界面。从 SiC 质量的角度来看，这种不完美的状态不一定是理想的。然而，我们相信这些事实的发现将作为一个起点，并且从这项研究中获得的知识将有助于未来 SiC 晶圆的开发。

社会意义

　在 5G 等高速通信和电动汽车V体育控制等应用中，能够更加节能地运行的V体育半导体正在迅速被取代。只有SiC已投入实际应用，而提供半导体功能的掺杂剂的控制和观察是最重要的问题。它也是一种将直接连接到未来社会基础设施的材料，我们相信，我们能够利用“白中子全息术”准确确定掺杂剂的结构，这一事实将产生巨大的社会影响。

图 3 硼(B)的站点模型进入和正上方不连续的界面

未来展望

　利用“白中子全息术”关键技术，我们成功地确定了硼等轻元素掺杂剂在复杂晶体中所占据的位置。除了这里介绍的V体育半导体之外，轻元素在蓄电池、热电材料、燃料电池等现代社会必不可少的材料中也发挥着重要作用。 “白色中子全息术”是一种可以让我们更接近阐明这些作用的技术，通过在未来积极利用它，预计它将能够为旨在充分利用轻元素开发新材料并引领世界的“轻元素战略”做出贡献。

这项研究得到了日本学术振兴会、科学研究补助金、学术转化领域研究 (A)“超有序结构创造的凝聚态科学”、基础研究 (A)“迈向超轻元素/磁结构成像”的支持。这项工作是在“多波长中子全息术的开发和应用”（代表人：林浩一）、新学术领域研究“氢基因组学”的公开研究、基础研究（B）（代表人：小山健二）等的支持下进行的。它也是日本学术振兴会日德联合研究生院计划的一部分。

论文信息

期刊名称：应用物理快报。
论文标题：通过多波长中子全息术测定 6H-SiC 中硼的位点占用
作者：K Hayashi、M Lederer、Fukumoto、M Goto、Y Yamamoto、N Happo、M Harada、Y Inamura、K Oikawa、K Ohoyama 和 P Wellmann
发布日期：2022 年 3 月 28 日
DOI：101063/50080895
网址：

术语表

（注1）全息
与常规摄影不同，全息术是一种可以记录和再现物体三维图像的技术。为了防止伪造，这项技术被印在万日元纸币和信用卡上，并在社会上广泛应用。其原理如图4所示。在普通光学全息的情况下，使用相干性良好的光源，例如激光，照射散射物体（图中的心脏）。光被散射物体散射，成为物波。物波的相位（有关波峰和波谷位置的信息）包含有关散射体深度的信息，但如果只观察物波本身，相位信息将会丢失。在全息术中，为了记录相位，使从光源发射的光（参考波）与物波发生干涉。全息图是该干涉图案的记录。然后，通过从全息图的相反侧照射再现光，可以再现散射的物体。

图4 全息术原理。

本文介绍的“白色中子全息术”是一种革命性的方法，它用类似于太阳光的连续波长的中子照射样品，可以一次测量100多个不同波长的全息图。全息术是一种将三维物体信息压缩并记录为二维全息图的成像方法，但这也会造成播放过程中的劣化。多波长全息图是唯一可以抑制这种恶化的解决方案，并且利用大约 100 个全息图，可以忠实地再现原始原子结构。

(注2)轻元素掺杂
掺杂剂的作用类似于烹饪中添加的调味料，是指微量添加的杂质元素，以在材料中创造功能。现代社会使用的许多材料总是添加了某种元素。例如，智能手机和其他设备的硅半导体中添加了硼。锂、氢等用于蓄电池和燃料电池。然而，由于它们重量轻，使用传统的观察方法很难检测到这些元素。

(注3)X射线衍射法
当分析样品受到特定波长的 X 射线照射时，散射的 X 射线会呈现出该材料特有的衍射图案，具体取决于材料中原子和分子的排列。它广泛应用于材料科学，因为它可以准确测定原子结构。然而，我们能观察到的是原子的平均排列，很难观察到特定元素周围的扭曲等局部结构变化。

（注4）高强度质子加速器设施J-PARC
这是位于茨城县东海村的大型研究设施，由高能加速器研究组织和日本原子能机构共同提议，在高能物理、核物理、材料科学、凝聚态物理、生物学和化学等广泛领域进行世界最前沿的研究。特别是，J-PARC 内的材料与生命科学实验设施使用世界上最强大的中子束进行研究，吸引了来自世界各地的研究人员。

（注5）SiC（6H-SiC）
碳化硅（SiC）具有优异的介电击穿场强，是Si的10倍，带隙是Si的3倍，因此有望成为超越Si极限的V体育器件材料。也有人说通过掺杂很容易控制p型和n型。 SiC 有多种多型体（晶体多系），每种都具有不同的物理性质。典型的包括3C、4H、6H和15R。

(注6)最速下降法
最速下降法是连续优化问题的梯度法算法之一，仅从函数的斜率来搜索函数的最小值。这是最简单的梯度法，这种算法经常被直接或间接使用。

(注7)物理气相沉积法
指利用等离子体或激光将原材料加热蒸发，使材料物理沉积在目标基材或金属表面的方法。虽然通常用于生产薄膜，但实验中使用的碳化硅晶体也可以批量生长，厚度可达20毫米或以上。

联系信息

研究相关

V体育工学研究科物理工程系
林浩一教授
电话：052-735-5308
电子邮件：hayashikoichi[at]nitechacjp

茨城大学理工学院研究生院
小山健二教授
电话：029-352-3240
电子邮件：kenjiohoyamavs[at]vcibarakiacjp
　　　
广岛市立大学信息科学研究科信息工学系
八方直久副教授
电话：082-830-1553
电子邮件：happo[at]hiroshima-cuacjp
　　　　
日本原子能机构 J-PARC 中心
首席研究员 Masahide Harada
电话：029-282-6217
电子邮件：haradamasahide[at]jaeagojp
　　　　
日本原子能机构 J-PARC 中心
首席研究员及川健一
电话：029-284-3211
电子邮件：kenichioikawa[at]j-parcjp

日本原子能机构 J-PARC 中心
副首席研究员 Yasuhiro Inamura
电话：029-284-3313
电子邮件：yasuhiroinamura[at]j-parcjp

公共关系很重要

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茨城大学公共关系办公室
电话：029-228-8008
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J-PARC 中心公共关系部
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电子邮件：pr-section[at]j-parcjp