Способ определения концентрации центров,находящихся в кристалле в возбужденном триплетном состоянии Советский патент 1983 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к физике твердого тела, физике и технике полупроводников и может быть использовано как для изучения свойств кри сталлов, так и для определения пара /метрбв различных приборов, в которых применяются кристаллы, активиро ванные различными примесями или дру гими дефектами. Известен способ определения концентрации центров в возбужденном состоянии по люминесценции, заключающийся в освещении кристаллов све том с энергией квантов, соответству ющей энергии ионизации или возбуждения центров. При этом часть цент ров переходит в возбужденное состоя ние, а затем эти центры переходят из возбужденного состояния в основное с излучением энергии, по величине которой определяют концентрацию центров в возбужденном состоянии 13. Недостатком данного способа явля ется тот факт, что существует широкий класс центров в различных кристаллах, для которых переход из воз бужденного состояния в основное является безызлучательным. В этом слу чае, способ о.пределения концентрации центров в возбужденном состоянии по люминесценции оказывается неприменимым. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации центров, находящихсяв кристаллах в возбужденном триплетном состоянии, с использованием ЭПР. Этот способ основан на том, что плсмдадь Sg, ограниченная кривой сиг .нала поглощения ЭПР, пропорциональна концентрации парамагнитных центров Ng, объему кристалла V и степен поляризации парамагнитных центров С В т 6 Sg-.KNgVp, где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от усиления в измерительном тракте спектрометра ЭПР Определение концентрации Ng осуществляется путем сравнения получен ных в одинаковых условиях площадей ограниченных сигналами поглощения ЭПР от измеряемого кристалла SQ и калибровочного образца s, для кото рого известно число парамагнитных центров NH, его объем V и степень поляризации парамагнитных центров Pgj, т.е. имеем с - VKJ V Р к Из (1) и (2) получаем SK Используя выражение (3), можно определять концентрацию N только в том случае, когда -известны значения . поляризации -Pgg и Pg. Указанный способ применим для таких парамагнитных центров, поляризация которых равна равновесной больцмановской поляризации Pgo/ .Peg Pg РСО Г2. Однако в кристаллах существуют такие центры, которые при освещении переходят в возбуждённые триплетные состояния с поляризацией, сильно отличающейся от равновесной больцмановской поляризации. Наблюдающиеся линии ЭПР таких центров имеют даже инвертированную фазу и соответствуют не поглощению, а излучению СВЧ мощности. Такие центры обнаружены в кристаллах кремния,причем люминесценция этих центров не наблюдалась. Указанный 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 Н, равной величине расщепления уровней возбужденного триплетного состояния центров Нр в нулевом магнитном поле, освещают светом с интенсивностью 1, изменяющейся в пределах от 10 - до 10 фот/см с, измеряют степень поляризации ядер рещетки кристалла Р, затем увеличивают напряженность магнитного поля до значения Н , лежащего в пределах i ЮНр, . вновь освещают кристалл светом указанной интенсивности и измеряют степень поляризации ядер решетки Pf, , после чего регистрируют спектр ЭПР / центров в возбужденном триплетном состоянии при одновременном освещении кристалла светом указанной интенсивности и определяют концентрацию центров Ы„ из выражения р - р N . в S.V где Sg - площадь, ограниченная кривой сигнал.а поглощения ЭПР центров в возбужденном состоянии;V - объем кристалла; S|, У|,и N, - соответственно площадь, ограниченная кривой погло- i щения сигнала ЭПР, объем и концентрация парамагнитных .центров калибровочного образца; Р - равновесная поляризация 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„д . На фиг, 1 приведена схема энерге тических уровней центра в возбужден ном 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 -Н.,; на фиг.З Зависимость измеренной концентрации центров, находящихся в кристалле кремния в возбужденных триплетных состояниях, от интенсивности света, Центры в возбужденном триплетном состоянии имеют спин , В сильном магнитном поле HQ три энергетически подуровня триплетного центра характеризуются значениями проекции .спина S 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 ±1 7 и 10 различны, что приводит к неравновесной заселе ности магнитных подуровней и, следо вательно, к неравновесной спиновой поляризации между подуровнями Ч 1 и|0, |0, (фиг, 1), Сигналы ЭПР таких центров имеют про тивоположные фазы, которые соответствуют излучению и поглощению СВЧмощности. Отклонение поляризации ядер решетки кристалла Pf. от ее равновесного значения Ру, f возникающие при сверхтонком взаимодействии .между ядрами и триплетными центрами, пропорционально отклонению поляризации возбуждаемых светом триплетныхцент ров от равновесного значения. При освещении кристалла светом С энергией квантов, соответствующей энергии возбуждения триплетных денгС ров, в магнитном поле .,, где происходит максимальное сближение уровней 1+ 1 и I О (фиг, 1), воз никает сильная ядерная поляризация Р„. в сильных магнитных полях, реаль но при HO 3Hj), поляризации переходов К 1 О , равны по величине, но противоположны по знаку. При одновременном воздействии света и магнитного поля Н 3Hjr) по-ляризация центров становится равной р|. Таким образом, измерив степень поляризации ядер Р при Но НрИ Р,, при HO ЗНр в условиях- освещения Кристалла светом одной и той же интенсивности, зная площадь Sg, ограниченную сигналом поглощения ЭПР центров кристалла, его объем V и сравнивая соответствующие значения площади S,, ограниченной кривой поглощения ЭПР, объем V и концентрацию N. центров калибровочного образца, определяют концентрацию центров в возбужденном триплетном состоянии из приведенного выражения (4), . Необходимость проведения всех измерений при одинаковой интенсивности света вытекает из TOto, что концентрация центров в возбужденном триплетном состоянии зависит от интенсивности света, причем эта зависимость не всегда является линейной. Пределы интенсивности света 102 фот/см с 1 фот/см с определяются т.ем, что при I 10 фот/С1 Г с концентрация центров в возбужденном состоянии настолько мала, что их не удается зарегистрировать с использованием ЭПР, При 1 ) наступает перегрев кристаллов и их механическое разрешение (плавление ) , Ограничение величины магнитного поля HO IOH JJ связано с нецелесообразностью проведения измерения, при HO lOHjj, Значения магнитных полей Hjj для различных центров в воэбуж- денном триплетном состоянии- лежат обычно в пределах от нескольких эрстед до нескольких килоэрстед. Поэтому в ряде слечаев, при Н- 10 Э применение магнитных полей .Jn связано с тем, что- в сильных магнитных полях необходимо вводить поправки на измеряемую величину РЛ , 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 510®е/см , Схема энергетических уройней этого центра и вид сигналов ЭПР показаны на фиг, 1, Величина магнитного поля Н составляет для данного центру 350 Э, Освещение кристалла кремния, размеры которого 10x4x0,5 мм производится светом лампы накаливания мощностью ЗООВт (галогенная лампа кгм-30/300):, в ряде случаев для получения светового потока большой мощности 1 /7 10 фот/см с используется неодамов1яй лазер ЛТ-2 с длиной волны 1,06 мкм, работгиощий в непрерывном режиме. Концентрация центров в возбужденном триплетном состоянии определяется при различной интенсивности света которая измеряется калиброванньпу фотоприемником. Все измерения проводят ся при П°К. Измерение степени оптической поляризации ядер решетки кремния 1 осуществляется следующим образом Кристешл помещается в магнитное поле HO и освещается светом лампы накаливания в течение времени , где Т - время ядерной спин-решеточной релаксии. В Использованном кристалле мин. После освещения кристалл переносится в магнит радиоспектрометра ЯМР и по величине сигнала ЯМР ядер Si определяется степень поляризации ядер р. Измерения производятся в различных полях Н. Зависимость Р,, от Н приведена на фиг. 2. Из этой зависимости видно, что максимальная поляризация ядер Si достигается при освещении кристалла в магнитном поле Hp H jCiSSO 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 дифинилпикрилгидразил (ДФПГ). Число спинов в об разце ДФПГ 10 см Отношение площадей под кривыми сигналов ЭПР центров в возбужденном триплетном состоянии и сигналов ДФПГ составляет ,6 при интенсивности света попадающего на кристалл 1 с; фот/см с. Степень поляризации ядер 29si в магнитном поле Нд-ЗЗО Э при освещении светом той же интенсивности Pf, 2,1-10 %, а при HO 4,9 кЭ, Р, 3,25-10 %. Значение равновесной больцмановской поляризации ядер Si в магнитном поле 4,9 кЭ и Т равно с; 1, 3 % . Объем измеряемого образца V 1x0,4x0,05 см- 0,02 см. Подставляя эти значения в расчетную формулу (4), находим концентрацию центров, ввoзбyждeннoмJ триплетном состоянии N. N .M±(M ::llLLl.2,e -Л« 0,02-i, Аналогично определены концентрации Ng при различных интенсивностях света 1-. Результаты приведены на &ИГ. 3. Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять концентрацию центров, находящихся в кристал лах в возбужденном триплетном состоянци, когда известные способь 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.

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.

/-/7

У

Поглощение