Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках

Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к физике твердого тела, к радиоспектроскопии твердого тела и может быть использовано для изучения структуры и свойств парамагнитных центров в полупроводниках . .Предложенный способ позволяет регистрировать сигналы ЭПР парамагнитных центров в слабых магнитных полях (100-1000 Гс) при концентрао -I ции центров 10 см. Увеличение чувствительности достигается тем, что на образец, помещенный в постоянное магнитное поле, воздействуют светом, сверхвысокочастотным полем и одновременно дополнительным переменным магнитным полем резонансной частоты, меньшей, чем частота СВЧ- поля. Сигналы ЭПР регистрируют по поглощению электрической компоненты СВЧ-поля фотовозбужденными носителями , концентрация которых изменяется ПРИ насыщении ЭПР переходов парамагнитных центров. Максимальная чувствительность способа реализуется при значениях напряженности переменного магнитного поля, соответствукщих насыщению ЭПР переходов и; при малом уровне мощности СВЧ-поля, ле- .жащей в пределах 0,1-1 мВт. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (51)4 G 01 N 24/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3906542/31-25. (22) 06,06.85 (46) 07.02 ° 88.Бюл. )Ф 5 (71) Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе (72) Л.С. Власенко,и В.А.Храмцов (53) 538.113(088.8) (56) Альтшулер С.А., Козырев Б.М.

Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных . групп. М.: Наука, 1972, с.150-153. . Авторское свидетельство СССР

У 1235325, кл. G 01 N 24/10, 1984. (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ

ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ (57) Изобретение относится к физике твердого тела, к радиоспектроскопии твердого тела и может быть использовано для изучения структуры и свойств парамагнитных центров в полупроводниках.,Предложенный способ позволяет регистрировать сигналы ЭПР парамагнитных центров в слабых магнитных полях (100-1000 Гс) при концентрации центров 10 см. Увеличение чувствительности достигается тем, что на образец, помещенный в постоянное магнитное поле, воздействуют светом, сверхвысокочастотным полем и одновременно дополнительным переменным магнитным полем резонансной частоты, меньшей, чем частота СВЧполя. Сигналы ЭПР регистрируют по поглощению электрической компоненты

СВЧ-поля фотовозбужденными носителями, концентрация которых изменяется при насьпцении ЭПР переходов парамагнитных центров. Максимальная чувствительность способа реализуется при значениях напряженности переменного магнитного поля, соответствующих насьпцению ЭПР переходов и при малом уровне мощности СВЧ-поля, ле,жащей в пределах 0,1-1 мВт.

1285898

Изобретение относится к физике твердого тела, физике полупроводников, а именно к радиоспектроскопии твердого тела, и может быть использовано для изучения структуры и свойств различных парамагнитных центров и дефектов в твердых телах.

Цель изобретения — увеличение чувствительности при регистрации электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в слабых магнитных полях.

Способ основан на явлении изменения фотопроводимости образца при насыщении ЭПР переходов парамагнитных центров.

Освещение образца используется для генерации фотовозбужденных носителей. Энергия квантов света выбирается достаточной для такой генерации, 20 т.е. соответствует межзонным переходам либо энергии ионизации примесных уровней. Кроме того, если исследуются парамагнитные центры в возбужденном состоянии,то освещение используется также для создания возбужденных состояний центров.

Дополнительное переменное магнитное поле, которое воздействует на образец одновременно с СВЧ-полем, имеет частоту, равную резонансной частоте парамагнитных центров в заданном магнитном. поле Н,, которая определяется из соотношения где Н вЂ” величина постоянного магнитного поля гиромагнитное отношение 40 неспаренного электрода парамагнитного центра; — частота СВЧ-поля. о

Гсли это переменное поле направлено перпендикулярно к постоянному магнитному полю, то будут возбуждаться переходы между магнитными уровнями парамагнитных центров,т.е. дополнительное переменное магнитное поле служит для возбуждения магнитного ре50 зонанса.

При резонансе изменяется скорость рекомбинации фотовозбужденных носителей через парамагнитные центры, так как вероятность захвата носителей, 55 например электронов из зоны провоцимости на парамагнитные центры, зависит от спинового состояния этих центров. Таким образом, при резонансе изменяется фотопроводимость кристалла, Регистрация изменения фотопроводимости образца осуществляется по поглощению электрической компоненты .

СВЧ-поля, которое на несколько порядков чувствительнее к изменению концентрации свободных фотовозбужденных носителей, чем поглощение магнитной компоненты СВЧ-поля парамагнитными центрами, поэтому целесообразно помещать образец в пучность электрического поля в резонаторе радиоспектрометра. В предложенном способе магнитная компонента СВЧ-поля не играет никакой роли:и не используется.

Регистрация резонансного изменения фотопроводимости образца осуществляется на одной фиксированной частоте в СВЧ-диапазоне, а возбуждение магнитного резонанса в предложенном способе может производиться на любой частоте, меньшей частоты

СВЧ-поля, в любой области слабых магнитных полей. Так как степень спиновой поляризации парамагнитных центров определяется неравновесной населенностью магнитных подуровней; создаваемой светом (в частности, это имеет место для триплетных центров) и процессы спин-зависимой рекомбинации фотовозбужденных носителей практически не зависят от величины постоянного магнитного поля, то чувствительность способа не зависит от магнитного поля, в котором наблюдаются сигналы ЭПР.

Практически важным и целесообразным является расширение области регистрации сигналов ЭПР в сторону низких частот и слабых магнитных полей, т.е. использование частоты дополнительного переменного поля меньше частоты СВЧ-поля, хотя нет принципиальных препятствий использовать частоты, большие чем частота СВЧ-по- . ля.

Для реализации способа и получе-. ния высокого отношения сигнал/шум при р егис тр ации сиги ало в ЭПР не обходимо насытить переход ЭПР парамагнитных центров, т.е. установить величину напряженности переменного магнитного поля Н1, соответствующую насыщению резонансных переходов.

Эта величина определяется временами

1285898 спиновой релаксации парамагнитных центров и составляет

Н, (1 — 3) Н, 40 нас где Н, РТ, Т, Здесь Т, и Т2 — времена продольной и поперечной релаксаций соответственно.

Для получения более низкого уровня шума мощность СВЧ- поля устанавливают в пределах 0,1 мВт P 1 мВт, При мощностях P 0,1 мВт в резонаторе уже не достаточна величина Е— компоненты и уменьшается величина регистрируемых сигналов ЭПР. При

P ) 1 мВт наблюдается возрастание шумов системы регистрации, что приводит к снижению отношения сигнал/шум.

Кроме того, при P > 1 мВт при регист- рации сигналов ЭПР в слабых магнитных полях становятся сильными сигналы циклотронного резонанса от фотовозбужденных носителей, что мешает регистрации сигналов ЭПР.

Регистрация сигналов ЭПР согласно предложенному способу осуществлялась в кристаллах кремния и-типа проводимости (с удельным сопротивлением 2 Ом см), легированных фосфором. Для создания в кристаллах парамагнитных центров они облучались о -э (-квантами дозой 10 см . Разме-ры кристаллов были 2х1х8 мм . Реэ 35 гистрация сигналов ЭПР осуществлялась на радиоспектрометре 3-сантиметрового диапазона (частота СВЧполя 9 ГГц). Образец освещался через окно в резонаторе светом лампы накаливания мощностью 100 Вт.

Интенсивность света и температура измерений устанавливались такими, чтобы обеспечить максимальную фотопроводимость кристалла и максимальную интенсивность сигналов ЭПР. Практически регистрация осуществлялась в диапазоне температур 20-30 К при максимальной интенсивности света от используемой лампы, соответствующей

50 6 -2 потоку фотонов 10 см с с энергией квантов, соответствующей ширине запрещенной зоны кремния. Конструкция ЭПР спектрометра не позволяла поместить образец в пучность электрического поля, но позволяла сместить его от центра резонатора на 3 мм, где величина электрической компоненты СВЧ-поля была уже достаточна для регистрации изменения фотопроводимости образца. Мощность СВЧ-поля P в резонаторе спектрометра изменялась с помощью аттенюатора в пределах 0,0 1-50 мВт.

Дополнительное переменное магнитное поле создавалось катушкой, содержащей 5 витков и диаметром 2 мм, намотанной вокруг образца. Катушка подключалась к генератору ВЧ и в ней возбуждался ток силой 50-100 мА и частотой 900 Мгц. Таким образом, напряженность переменного магнитного поля Н,, действующего на образец, составляла Н,=(2-5) Гс. При этих значениях Н, происходит насыщение резонансных переходов, так как времена релаксации ларамагнитных центров, оцененные по.ширине линий ЭПР, составляли Т, = Т =10 с. Ось катуш-б ки была перпендикулярна к постоянному магнитному полю Н, создаваемому электромагнитом радиоспектрометра.

Сигналы ЭПР регистрировались в диапазоне магнитных полей 100-500 Гс.

Сигналы регистрировались при ориентации постоянного магнитного поля Н

О вдоль направления ось (100) кристалла. Регистрировалась производная линии поглощения.

Чувствительность предложенного способа можно оценить следующим образом. Учитывая скорость введения

А-центров -10 см.с при -облучении и дозу 10 э см 2с 9 концетрация э введенных А-центров будет =10 см.

При освещении в возбужденном триплетном состоянии будет находиться

1/100 часть дефектов, т.е. концентрация зарегистрированных парамагнит9 ных центров в образце -10 см .Учитывая, что отношение сигнал/шум для сигналов больше 10, с помощью предложенного способа можно зарегистри8 -э ровать 10 см парамагнитных центров.

Формула изобретения

Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках путем воздействия на него светом, постоянным магнитным полем, СВЧ-,полем и регистрации сигналов по поглощению электрической компоненты СВЧ-поля, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увели1285898

С ост авит ель А. Федоров

Техред М.Дидык Корректор Л. Пилипенко

Редактор Т.Иванова

Тираж 847

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 743

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород,ул.Проектная, 4 чения чувствительности в области слабых магнитных полей, на полупроводник одновременно с СВЧ-полем воздействуют дополнительным переменным магнитным полем с вектором напряженности, перпендикулярным к вектору постоянного магнитного поля, причем величина напряженности соответствует насыщению резонансных переходов, частота меньше частоты СВЧ-поля и равна резонансной частоте парамагнитных

5 центров, а мощность СВЧ-поля P уста-:навливают в пределах О, 1 мВт — P—

« 1 мВт.