Способ регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса в полупроводниках

(51)4 С 01 И 24/10 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(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, С 01 Я 24/10, 1984. (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В .ПОЛУПРОВОДНИКАХ(57) Изобретение относится к физикетвердого тела, к радиоспектроскопиитвердого тела и может быть использовано для изучения структуры и свойствпарамагнитных центров в полупроводниках.,Предложенный способ позволяет регистрировать сигналы ЭПР парамагнитных центров в слабых магнитныхполях (100-1000 Гс) при концентрации центров 10 см. Увеличениечувствительности достигается тем,что на образец, помещенный в постоянное магнитное поле, воздействуютсветом, сверхвысокочастотным полеми одновременно дополнительным переменным магнитным полем резонанснойчастоты, меньшей, чем частота СВЧполя. Сигналы ЭПР регистрируют попоглощению электрической компонентыСВЧ-поля фотовозбужденными носителями, концентрация которых изменяется при насьпцении ЭПР переходов парамагнитных центров. Максимальнаячувствительность способа реализуется при значениях напряженности переменного магнитного поля, соответствующих насьпцению ЭПР переходов и прималом уровне мощности СВЧ-поля, ле,жащей в пределах 0,1-1 мВт.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 парамагнит ных 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 - величина постоянного магнитного полягиромагнитное отношениенеспаренного электрода парамагнитного центра;- частота СВЧ-поля.оГсли 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 ре 50 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-поля. 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 Н 1, соответствующую насыщению резонансных переходов.Эта величина определяется временамиспиновой релаксации парамагнитныхцентров и составляетН (1-3) Н"," 40 НССгде Н,Т, Т,Здесь Т, и Т 2 - времена продольной и поперечной релаксаций соответственно.Для получения более низкого уровня шума мощность СВЧ-поля устанавливают в пределах 0,1 мВтР1 мВт,При мощностях Р0,1 мВт в резонаторе уже не достаточна величина Е -компоненты и уменьшается величинарегистрируемых сигналов ЭПР. ПриР ) 1 мВт наблюдается возрастаниешумов системы регистрации, что приводит к снижению отношения сигнал/шум.Кроме того, при Р1 мВт при регист-рации сигналов ЭПР в слабых магнитных полях становятся сильными сигналыциклотронного резонанса от фотовозбужденных 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 облучались1 э -э-квантами дозой10 см . Размеры кристаллов были 2 х 1 х 8 мм . Ре-э 35гистрация сигналов ЭПР осуществлялась на радиоспектрометре 3-сантиметрового диапазона (частота СВЧполя9 ГГц). Образец освещалсячерез окно в резонаторе светом лампы накаливания мощностью 100 Вт.Интенсивность света и температураизмерений устанавливались такими,чтобы обеспечить максимальную фотопроводимость кристалла и максимальную интенсивность сигналов ЭПР. Практически регистрация осуществляласьв диапазоне температур 20-30 К примаксимальной интенсивности света отиспользуемой лампы, соответствующей506 -2 -1потоку фотонов 10 см с с энергией квантов, соответствующей ширинезапрещенной зоны кремния. Конструкция ЭПР спектрометра не позволялапоместить образец в пучность электрического поля, но позволяла сместитьего от центра резонатора на 3 мм,где величина электрической компоненты СВЧ-поля была уже достаточна для регистрации изменения фотопроводимости образца. Мощность СВЧ-поля Р 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-бки 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 НО 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 2 с 9 концетрацияэ введенных А-центров будет = 10 см. При освещении в возбужденном триплетном состоянии будет находиться 1/100 часть дефектов, т.е. концентрация зарегистрированных парамагнит 9 -э ных центров в образце -10 см .Учитывая, что отношение сигнал/шум для сигналов больше 10, с помощью предложенного способа можно зарегистри 8 -эровать 10 см парамагнитных центров.Формула изобретенияСпособ 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 ющ и й с я тем, что, с целью увели1285898 Составитель А.ФедоровТехред М.Дидык Корректор Л.Пилипенко Редактор Т.Иванова Тираж 847ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 743 Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород,ул.Проектная, 4 чения чувствительности в областислабых магнитных полей, на полупроводник одновременно с СВЧ-полем воздействуют дополнительным переменныммагнитным полем с вектором напряженности, перпендикулярным к векторупостоянного магнитного поля, причем величина напряженности соответствуетнасыщению резонансных переходов, частота меньше частоты СВЧ-поля и равнарезонансной частоте парамагнитных 5центров, а мощность СВЧ-поля Р уста".навливают в пределах О, 1 мВтР1 мВт.