Способ определения концентрации центров,находящихся в кристалле в возбужденном триплетном состоянии

Способ определения концентрации центров,находящихся в кристалле в возбужденном триплетном состоянии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕНТРОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В KPHCTAJ - . ЛЕ В ВОЗБУЖДЕННОМ ТРИПЛЕТНОМ СОСТОЯНИИ , с использованием электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), отличающийся тем, что с целью расширения класса исследуемых центров, кристалл, размещенный в магнитном поле напряженностью Н-, равной величине расщепления уровней возбужденного триплетного состояния центров Н2 в нулевом магнитном поле освещают светом с интенсивностью 1, изменяющейся в пределах от iO до 105 фот/см с, измеряют степень поляризации ядер решетки кристалла Р„, затем увеличивают напряженность магнитного поля до значения Нд, лежащего в пределах BHpiH j i lOHjj, вновь освещают кристалл светом указанной интенсивности и измеряют степень по-; ляризации ядер решетки Рр , после чего регистрируют спектр ЭПР центров в возбужденном триплетном состоянии ,при одновременном освещении кристал ла светом указанной интенсивности и iопределяют концентрацию центров N из выражения р - Р , п по % SK п где S - площадь, ограниченная кривой сигнала поглсадения ЭПР центров в возбужденном состоянии V - объем кристалла; v NU - соответственно площадь, К ограниченная кривой поглощения сигнала ЭПР, объем и концентрация парамагнитных центров калибровочного образца ; -равновесная поляризация по ядер решетки кристалла.

ССМО3 СОВЕТСКИХ

»ич

РЕСПУБЛИК

1 N 24 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

5 Ч М Р-Р

5 K К ll ЛО

6 5K× Р где Бб

Ч К ЧК

Pll0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3477738/18-25 (22) 02,08,82 (46) 15.12.83. Бюл, 9 46 (72) Н.Т.Баграев, Л.С.Власенко и В.М.Рожков (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. A.Ô.Èoôôå (53) 538,113(088.8) (56) 1. Б reet R.A, et aI. PhotoIu-„

minescence excitation spectra in гр? о"э As S 3i АзгБе3 and SeIenium

PhiX. Mag. 1974, ч 29,р.1157

2. PooIe С.Р. EIectron spin resonance on experimentaI) technigmes.

New York London-Sydney. 1977, ch. 4, (прототип) . (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕНТРОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В КРИСТАЛ» .

ЛЕ В ВОЗБУЖДЕННОМ TPHIIJIETHOM СОСТОЯНИИ, с использованием электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых центров, кристалл, размещенный в магнитном поле напряженностью Н равной величине расщепления уровней возбужденного триплетного состояния центров Н2 в нулевом магнитном поле) освещают светом с интенсивностью Х, изменяющейся в пределах от 10.l2 до

10 9 фот/см с, измеряют степень,.Su„„.1 Î61016 А поляризации ядер решетки кристалла

P затем увеличивают напряженность п магнитного поля до значения На, лежащего в пределах ЭН )4Н, 4 10HI), вновь освещают кристалл светом укаэанной интенсивности и измеряют степень по-, ляризации ядер решетки Р „, после чего регистрируют спектр ЭПР центров

s возбужденном триплетном состоянии ,при одновременном освещении кристал ла светом указанной интенсивности и определяют концентрацию центров N@. из выражения — площадь, ограниченная кривой сигнала поглощения ЭПР центров в возбужденном состоянии — объем кристалла; B

N „ — соответственно площадь, ограниченная кривой поглощения сигнала ЭПР, объем.и концентрация парамагнитных центров калибровочного образца; — равйовесная поляризация ядер решетки кристалла.

1061016

Изобретение относится к физике твердого тела, физике и технике полупроводников и может быть использовано как для изучения свойств кристаллов, так и для определения пара1метрЬв различных приборов, в кото- 5 рых применяются кристаллы, активированные различными примесями или другими дефектами.

Известен способ определения концентрации центров в возбужденном состоянии по люминесценции, заключающийся в освещении кристаллов светом с энергией квантов, соответствующей энергии ионизации или возбуждения центров. При этом часть цент-ров переходит в возбужденное состояние, а затем эти центры переходят из возбужденного состояния в основное с излучением энергии, по величине которой определяют концентра- 20 цию центров в возбужденном состоянии $1).

Недостатком данного способа является тот факт, что существует широкий класс центров в различных кри- 25 сталлах, для которых переход из воз.бужденного состояния в основное является безызлучательным. В этом случае способ определения концентрации

I центров в возбужденном состоянии по люминесценции оказывается неприменимым.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации центров, находящихся в кристаллах в возбужденном триплетном .состоянии, с использованием ЭПР.

Этот способ основан на том, что площадь S ограниченная кривой сигВ нала поглощения ЭПР, пропорциональна концентрации парамагнитных центров N8 объему кристалла V и степени поляризации парамагнитных центров ,Рев т.е. в е ев

45 где К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от усиления в измерительном тракте епектрометра ЭПР.

Определение концентрации Ив осуществляется путем сравнения получен- 50 ных в одинаковых условиях площадей, ограниченных сигналами поглощения

ЭПР от измеряемого кристалла Ыв и калибровочного образца S для которого известно число парамагнитных 55 центров Мк, его объем Ч и степень поляризации парамагнитнйх центров

Рек, т . е. имеем ьк=K>к >к рек

Из (1> и (2) получаем

5g Чк Мк Рвк

8 = — (31 к еь

Используя выражение (3), можно определять концентрацию Мв только в том случае, когда известны значения . поляризации Рев и Рек указанный способ применим для таких парамагнит. ных центров, поляризация которых равна равновесной больцмановской полЯРиэации Pgp т.е. ев Ре Рео

Однако в кристаллах существуют такие центры, которые при освещении переходят в возбужденные триплетные состояния с поляризацией, сильно отличающейся от равновесной больцмановской поляризации. Наблюдающиеся линии ЭПР таких центров имеют даже инвертированную фазу и соответстlayer не поглощению, а излучению СВЧ мощности. Такие центры обнаружены в кристаллах кремния, причем люминесценция этих центров не наблюдалась. Укаэанный способ не позволяет. определить концентрацию центров, находящихся в кристалле в возбужденном триплетном состоянии, поляризация которых отличается от равновесной больцмановской поляризации и отсутствует люминесценция при переходе центров от возбужденного в основное состояние, Цель способа — расширение класса исследуемых центров, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации центров, находящихся в кристалле в возбужденном триплетном состоянии, с использованием

ЭПР, кристалл, размещенный в магнитном поле напряженностью Но, равной величине расщепления уровней возбужденного триплетного состояния центров Н в нулевом магнитном поле, освещают светом с интенсивностью 1, изменяющейся в пределах от 10 1 до

10 1В фот/см с, измеряют степень по2 ляризации ядер решетки кристалла Ря, затем увеличивают напряженность магнитного поля до значения Но, лежа1 щего в пределах ЗН НО < 10Нп, . вновь освещают кристалл светом указанной. интенсивности и измеряют степень поляризации ядер решетки Р после чего регистрируют спектр ЭПР центров в возбужденном триплетном состоянии при одновременном освещении кристалла светом указанной интенсивности и определяют концентрацию центров N из выражения

58 к к Pn Pno в p к A где S — площадь, ограниченная кривой сигнала поглощения ЭПР центров в возбужденном состоянии;

V — объем кристалла;

Sк, Чки N„ — соответственно площадь, ограниченная кривой погло- i

1061016 щения сигнала ЭПР, объем и концентрация парамагнитных . центров калибровочного образца;

P — равновесная поляризация пю ядер решетки кристалла.

Данный способ основан на явлении динамической поляризации ядер решетки кристалла при взаимодействии, их с парамагнитными центрами, поляризация которых Р отличается при освещении от равновесной поляризации Р„

На фиr. 1 приведена схема энергетических уровней центра в возбужденном триплетном состоянии и сигналы

ЭПР; на фиг. 2 — зависимость степени оптической поляризации ядер решетки кремния, содержащего центры, находящиеся при освещении в возбужденном триплетном состоянии, от величины магнитного поля -H ; на фиг.3зависимость и!змеренной концентрации центров, находящихся в кристалле кремния в возбужденных триплетных состояниях, от интенсивности света.

Центры в нозбужденном триплетном состоянии имеют спин S=l В сильном магнитном поле Но три энергетических подуровня триплетного центра характеризуются значениями проекции .спина S2 на направление магнитного .поля и равны +1,0, -1 (фиг. 1). При образовании триплетных центров в условиях оптического возбуждения вероятности захвата электронов в состояниях ) +1 )и 10 > различны, что приводит к неравновесной заселенности магнитных подуровней и, следовательно, к неравновесной спиноной поляризации между подуровнями )+ 1 > и 0 ) )-1 > и 1 0 >, (фиг. 1) °

СигнаЛы ЭПР таких центров имеют противоположные фазы, которые соответствуют излучению и поглощению СВЧмощности, Отклонение поляризации ядер решетки кристалла Р> от ее равновесного значения Р„о, возникающие при сверхтонком взаимодействии .между ядрами и триплетными центрами, пропорционально отклонению поляризации возбуждаемых светом триплетных центров от равновесного значения. !

При освещении кристалла светом с энергией квантов, соответствующей энергии возбуждения триплетных цент"" рон, в магнитном поле НО-Нп, где происходит максимальное сближение уровней 1+ 1 ) и 1 0 ) (фиг. 1), возникает сильная ядерная поляризация Р„.

В сильных магнитных полях, реально нри Hp ) ЗН, поляризации переходов 1+ 1 ) e+ 0 y (- l) 0 > равны по величине, но противоположны по знаку, При одновременном воздействии света и магнитного поля Н > ЗНП поляризация центров становится равной

Р

Таким образом, измерив степень поляризации ядер Р при Ho = Н> и Рп, ( и

5 при Но > ЗН в условиях. освещения кристалла светом одной и той же интенсивности, зная площадь Яв, ограниченнуюю сигналом поглощения ЭПР центров кристалла, его объем Ч и

10 сравнивая соответствующие значения площади Як, ограниченной кривой поглощения ЭПР, объем Чк и концентрацию N центров калибровочного образк ца, определяют концентрацию центров 5 в возбужденном триплетном состоянии иэ приведенного выражения (4) °

Необходимость проведения всех измерений при одинаковой интенсивности света вытекает из то1о, что

20 концентрация центров в возбужденном триплетном состоянии зависит от интенсивности света, причем эта зависимость не всегда является линейной.

Пределы интенсивности света

25., 10 " фот/см с < l <10 " ??????>

З0 см с наступает перегрев кристаллов и их механическое разрешение (плавление).

Ограничение величины магнитного поля Но-10Н )связано с нецелесооб35 разностью пронедения измерения.при

Н ) 10НП. Значения магнитных полей

Н,) для различных центрон в возбужденном триплетном состоянии лежат обычно в пределах от нескольхих

40 эрстед zto нескольких килоэрстед. Поэтому н ряде слечаев, при Н >10 Э 3 применение магнитных полей Р > 10Н связано с тем, что в сильных магнитных полях необходимо вводить поправ45 ки на измеряемую величину Р„, связанные с разрывом сверхтонкого взаимодействия между ядрами решетки и триплетными центрами.

Пример-. Рассмотрим определение концентрации возбужденных триплетных состояний комплекса кислород+ вакансия в кристалле кремния, облученным электронами с энергией 1 МэВ и дозой 5-10 е/см . Схема энергетических .уровней этого центра и вид сигналов ЭПР показаны на фиг ° 1. Величина магнитного поля Н > составляет для данного центра 350 Э.

Освещение кристалла кремния, размеры которого 10х4х0,5 мм проиэво60 дится светом лампы накаливания мощностью 300Вт (галогенная лампа

КГМ-30/300) .

В ряде случаев для получения светового потока большой мощности

65 1 ) 10 фот/см с используется иео1061016

Изпуыгние димовый лазер ЛТ-2 с длиной волны

1,06 мкм, работающий в непрерывном режиме.

Концентрация центров в возбужденном триплетном состоянии определяется при различной интенсивности света, которая измеряется калиброванным фотоприемником. Все измерения проводятся при 77 К.

Измерение степени оптической пояризации ядер решетки кремния )()

i осуществляется следующим образом.

Кристалл помещается в магнитное поле Но и освещается светом лампы накаливания в течение времени >ЗТ, где T — время ядерной спин-реше- 15

1 точной релаксии. В использованном кристалле Т„=15 мин. После освещения кристалл переносится в магнит радиоспектрометра ЯМР и по величине сигнала ЯМР ядер 9Si определяется степень поляризации ядер р„. Измерения производятся в различных полях Н®.

Зависимость Р„от Н о приведена на фиг. 2. Из этой зависимости видно, что максимальная поляризация ядер 25

Si достигается при освещении кристалла в магнитном поле НО=Нв350 Э.

Регистрация сигналов ЭПР центров в возбужденном триплетном состоянии осуществляется с помощью спектрометра ЭПР. Во время наблюдения сигналов

ЭПР кристалл освещается через оптическое окно в резонаторе. Одновременно регистрируется сигнал ЭПР от калибровочного образца, в качестве (которого используется дифинилпикрил-. гидраэил (ДФПГ). Число спинов в об разце ДФПГ N V к = 10 см з .

Отношение площадей под кривыми сигналов ЭПР центров в возбужденном триплетном состоянии и сигналов ДФПГ составляет 99/9„х0,6 при интенсивности света попадающего на кристалл

1 10 ь фот/см с. Степень поляризации ядер 2 Si в магнитном поле

Н р = 350 Э при освещении светом той же интенсивности Рп =2,1 10 0%, а при So =4,9 кЭ, Р„ =3,25 ° 10 %. Значение равновесной больцмановской поляризации ядер эSi в магнитном поле 4,9 кЭ .и T = 77 К равно

P„ = 1,3 ° 10 4Ъ. Объем измеряемого образца V = 1х0,4х0,05 см з = 0,02 см .

Подставляя зти значения в расчетную формулу (4), находим концентрацию центров в возбужденном,триплетном состоянии И

О,(, (О (3,ZS-(З)Ю 1З э

0,02 ° g,gq- и)

Аналогично определены концентрации N9 при различных интенсивностях света 1, Результаты приведены на

9иг. 3 ..

Таким образом, предлагаемый cno=o6 позволяет определять концентрацию центров, находящихся в кристал лах в возбужденном триплетном состоянии, когда известные способы неприменимы, и может найти применение для изучения свойств кристаллов, активированных различными примесями или другими дефектами, а также для определения параметров различных приборов, где используются такие кристаллы.

1061016

-Л д, f0 %

1D

Составитель В. Майоршин

Техред.s,äääe oðef Корректор В. Бутяга

Редактор Т. Митейко

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Закаэ 10030/45

Филиал ППП Патент r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Ng, Р

1015

Ь|.2

ИО