Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках Советский патент 1988 года по МПК G01N24/10 

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 Б твердых телах.

Цель изобретения - увеличение чувствительности при 15егистрации 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 в ыбирается достаточной для такой генерации,2ония фотопроводимости образца осут.е. соответствует межзонным перехо-ществляется на одной фиксированной

дам либо энергии ионизации примес-частоте в СВЧ-диапазоне, а возбужденых уровней. Кроме того, если иссле-ние магнитного резонанса в предлодуются парамагнитные центры в возбуж-женном способе может производиться

денном состоянии,то-освещение ис- 25на любой частоте, меньщей частоты

СВЧ-поля, в любой области слабых магнитных полей. Так как степень спиновой поляризации парамагнитных центров определяется неравновесной насепользуется также для создания возбужденных состояний центров.

Дополнительное переменное магнитное поле, которое воздействует на образец одновременно с СВЧ-полем, име- зо ленностью магнитных подуровней соз- .ет частоту, равную резонансной чае- даваемой светом (в частности, это

имеет место для триплетнык центров) и процессы спин-зависимой рекомбинации фотовозбужденных носителей практически не зависят от величины постоянного магнитного поля, то чувствительность способа не зависит от маг- где Н - величина постоянного магнит- нитного поля, в котором наблюдаюттоте парамагнитных центров в заданном магнитном -поле Н, которая определяется из соотношения

i.

У

Н

о J

(1)

35

ного поля;

J - гиромагнитное отношение неспаренного электрода парамагнитного -центра ц - частота СВЧ-поля. Если это переменное поле направлено перпендикулярно к постоянному магнитному по.лю, то будут возбуждаться переходы между магнитными уровнями парамагнитных центров,т.е. дополнительное переменное магнитное поле служит для возбуждения магнитного рёзонанса.

При резонансе изменяется скорость рекомбинации фотовозбужденных носителей через парамагнитные центры, так как вероятность захвата носителей, например электронов из зоны проводимости на парамагнитные центры, зависит от спинового состояния этих центров. Таким образом, при резонан

се 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 целесообразна 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 изменеСВЧ-поля, в любой области слабых магнитных полей. Так как степень спиновой поляризации парамагнитных центров определяется неравновесной населенностью магнитных подуровней соз- даваемой светом (в частности, это

Q .,

0

5

ся сигналы ЭПР.

Практически важнь1м 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 ч€;м частота СВЧ-по- ля.

Для реализации способа и получения высокого отношения сигнал/шум при регистрации сигналов ЭПР необходимо насытить переход ЭПР парамагнитных центров, т.е. установить величину напряженности переменного магнитного поля HI, соответствующую насыщению резонансных переходов. Эта величина определяется временами

спиновой релаксации парамагнитных центров и составляет

нас где Н.

Н,- (1 - 3) НГ .

1

,

Здесь т, и Tj времена продольной и поперечной релаксаций соот- ветственно.

Лдя получения более низкого уровня шума мощность СВЧ-поля устанавливают в пределах 0,1 мВт Р 1 мВт. При мощностях Р 60,1 мВт в резона- торе уже не достаточна величина Е - компоненты и уменьшается величина регистрируемых сигналов ЭПР, При Р 1 мВт наблюдается возрастание шумов системы регистрации, что при- водит к снижению отношения сигнал/шу Кроме того, при Р 1 мВт при регис рации сигналов ЭПР в слабых магнитных полях становятся сильными сигна циклотронного резонанса от фотовоз- бужденных носителей, что мешает регистрации сигналов ЭПР.

Регистрация сигналов ЭПР согласно предложенному способу осуществлялась в кристаллах кремния п-типа. проводимости (с удельным сопротивлением 2 Ом-см), легированных фосфором. Для создания в кристаллах парамагнитных центров они облучались V -квантами дозой см. Размеры кристаллов были 2x1x8 мм. Регистрация сигналов ЭПР осуществлялась на радиоспектрометре 3-сантиметрового диапазона (частота СВЧ- поля 9 ГГц) . Образец освещался через окно в резонаторе светом лампы накаливания мощностью 100 Вт. Интенси: ность света и температура измерений устанавливались такими, чтобы обеспечить максимальную фото- проводимость кристалла и максимальную интенсивность сигналов ЭПР. Пратически регистрация осуществлялась в диапазоне температур 20-30 К при максимальной интенсивности света от используемой лампы, соответствующей потоку фотонов 10 см с с энергией квантов, соответствующей ширине запрещенной зоны кремния. Конструкция ЭПР спектрометра не позволяла поместить образец в пучность элект- рического поля, но позволяла смести его от центра резонатора на 3 мм, где величина электрической компоненты СВЧ-поля была уже достаточна для регистрации изменения фотопроводимости образца. Мощность СВЧ-по- ля Р в резонаторе спектрометра изменялась с помощью аттенюатора в пределах 0,01-50 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 парамагнитных центров, оцененные по.ширине линий ЭПР, составляли Т, с. Ось катушки была перпендикулярна к постоянному магнитному полю Н, создаваемому электромагнитом радиоспектрометра. Сигналы ЭПР регистрировались в диа- пазоне магнитных полей 100-500 Гс. Сигналы регистрировались при ориентации постоянного магнитного поля Н вдоль направления ось ;100 кристалла. Регистрировалась производная линии поглощения.

Чувствительность предложенного способа можно оценить следующим образом. Учитывая скорость введения А-центров см.с при у -облучении и дозу концетрация введенных А-центров будет При освещении в возбужденном три- плетном состоянии будет находиться 1/100 часть дефектов, т.е. концентрация зарегистрированных парамагнитных центров в образце -lO .Учитывая, что отношение сигнал/шум для сигналов больше 10, с помощью предложенного способа можно зарегистрировать 10 см парамагнитных центров.

Формула изобретения

Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках путем воздействия Hat него светом, постоянным магнитным полем, СВЧ-полем и регистрации сигналов по поглощению электрической компоненты СВЧ-поля, отличающийся тем, что, с целью увели5 12858986

чения чувствительности в областивеличина напряженности соответствует слабых магнитных полей, на полупро-насыщению резонансных переходов, час- водник одновременно с СВЧ-полем воз-тота меньше частоты СВЧ-поля и равна действуют дополнительным переменным, резонансной частоте парамагнитньрс магнитным полем с вектором напряжен-центров, а мощность СВЧ-псшя Р уста- - ности, перпендикулярным к векторунавливают в пределах 0,1 мВт Р постоянного магнитного поля, причем 1 мВт.

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, соответству- кщих насыщению ЭПР переходов и; при малом уровне мощности СВЧ-поля, ле- .жащей в пределах 0,1-1 мВт. i (Л