WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Особенности электронного парамагнитного резонанса в 4H-SiC в области фазового перехода изолятор–металл.

II. Анализ ширины и формы линий © А.И. Вейнгер¶, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Е.Н. Мохов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 декабря 2003 г. Принята к печати 17 декабря 2003 г.) Изучены изменение ширины и формы ЭПР линии азота в 4H-SiC в области концентраций, соответствующих фазовому переходу изолятор–металл. Показано, что спиновая релаксация в области прыжковой и металлической проводимости происходит на электрических мультиполях — кластерах, размеры которых уменьшаются по мере увеличения концентрации примесных центров от достаточно больших до характерных межпримесных расстояний. Анализ температурных зависимостей сопротивления позволил оценить значение критической концентрации для фазового перехода изолятор–металл (ND-NA)c 1.5 · 1019 см-3. Выявлены также значения других характерных концентраций, определяющих эффекты взаимодействия электронов в изученной системе.

Настоящая статья представляет собой вторую часть диапазоне других линий ЭПР II, III и IV (рис. 2 из [1]) работы по исследованию ЭПР в электронном 4H-SiC : N не зависят от температуры.

в области фазового перехода изолятор–металл (ИМ). Характерные температурные зависимости полушириПервая часть работы была опубликована ранее [1]. Она ны линии I для исследованных образцов представлены посвящена эффектам спинового взаимодействия в этом на рис. 2. Видно, что эти зависимости сильно зависят от же материале, проявляющемся в довольно сложной уровня легирования. Так, при самой низкой концентрасистеме наблюдаемых линий. Одна из них (линия I) ис- ции примесей (образец 21, кривая 1) в широком темпечезает вблизи перехода ИМ, две другие (линии III и IV), ратурном диапазоне вплоть до 60 K полуширина линии наоборот, возникают в металлической фазе. Как показы- не зависит от температуры. При более высоких темпевает эксперимент [1], начиная с концентраций порядка ратурах линия быстро уширяется и исчезает. В сильнее 8 · 1018 см-3 nc/2 (nc = 1.5 · 1019 cм-3 —критическое легированных образцах, в которых наблюдается одизначение концентрации для фазового перехода ИМ) ночная линия лоренцевой или дайсоновской формы, ее форма линии становится существенно асимметричной полуширина увеличивается с ростом температуры по 1/(амплитуда низкополевой части производной сигнала закону T, характерному для релаксации спина на поглощения существенно больше высокополевой), что нейтральных центрах (см. далее) (кривые 2–4). Иногда в может быть объяснено в рамках теории Дайсона [2–4]. области низких температур наблюдаются более слабые Здесь мы проведем анализ ширины и формы линий, а зависимости или даже их отсутствие (кривая 3). При также обсудим связь ЭПР и фазового перехода ИМ. концентрациях примесей, близких к концентрации исчезновения этой линии (ND-NA 1019 cм-3), зависимость = от температуры начинает ослабевать (зависимость 5) 1. Концентрационные и температурные и даже меняет знак в своей низкотемпературной части изменения ширины линии (кривая 6, ND-NA 1.4 · 1019 cм-3).

= Теория Дайсона [2–4] указывает, что для искаженной 2. Время спин-решеточной релаксации спин-эффектом линии полуширину следует измерять на полувысоте положительного крыла производной. ЗавиКак известно, ширина линии ЭПР в проводящих симость полуширины основной резонансной линии I, веществах определяется временем спин-решеточной реизмеренной таким образом, от концентрации примесных лаксации T2, равной для проводящих систем времени центров представлена на рис. 1. Видно, что в изоляспин-спиновой релаксации T1:

торном состоянии далеко от критической коцентрации (nc 1018 cм-3, по данным [1]) полуширина линии весьT2 = h/(gµBH), ма слабо зависит от уровня легирования. Однако при приближении к критической концентрации полуширина где µB — магнетон Бора, H — полуширина линии.

линии начинает быстро возрастать. Увеличивается разИз рис. 1 следует, что при концентрации примеси, брос данных от образца к образу. При большом уровне большей 6 · 1018 см-3, время спин-решеточной релаксалегирования (уже в металлической фазе) эта линия исчеции, обратное полуширине линии H, начинает резко зает, а ширины наблюдаемых в этом концентрационном Параметры исследованных образцов приведены в табл. 2 в рабо¶ E-mail: Anatoly.Veinger@mail.ioffe.ru те [1].

Особенности электронного парамагнитного резонанса в 4H-SiC в области фазового перехода... но широкой, зависимость от температуры ослабевает (кривая 5, образец 14): = 0.1. В наиболее сильно легированном образце, в котором еще наблюдается линия I (кривая 6, образец 16), в низкотемпературной области появляется участок, на котором время спинрешеточной релаксации увеличивается с ростом температуры (полуширина линии уменьшается). Сопоставим эти результаты с ранее изученной спиновой релаксацией в Ge : As [5].

При исследовании ЭПР в компенсированном Ge вблизи фазового перехода ИМ было обнаружено, что в случае появления свободных носителей заряда спинрешеточная релаксация происходит на близко расположенных заряженных примесях, образующих донорноакцепторные пары. При этом наиболее медленным Рис. 1. Концентрационная зависимость полуширины ЭПР линии азота в 4H-SiC при 3.2 K. процессом, определяющим время релаксации, является время сближения спина с такой парой. В этом случае температурная зависимость T2 позволяет определить пространственное распределение потенциала донорно-акцепторных пар.

Исходя из того, что 4H-SiC, как и описанный выше Ge : As [5], представляет собой компенсированный полупроводник с относительно свободными спинами, обсудим, какие центры ответственны за релаксацию спина в этом материале. Потенциальная энергия центра релаксации может быть записана в виде EP = e2/rn, (1) где — диэлектрическая проницаемость, e — элементарный заряд, показатель степени n характеризует потенциал центра.

Рис. 2. Температурные зависимости полуширины ЭПР линии Значение n может быть определено в предположении азота в 4H-SiC; ND-NA, 1018 см-3: 1 — 0.35, 2 —2.4, 3 —7.5, того, что поперечное сечение взаимодействия = r4 —9, 5 — 11, 6 — 13.8.

обрезается на расстоянии r от центра релаксации, на котором потенциальная энергия EP сравнивается с кинетической энергией носителя уменьшаться. Большой разброс точек в этой области EK = kT. (2) концентраций указывает на то, что на этот параметр, а также на измеренную из эффекта Холла концентрацию Приравнивая (1) и (2), получаем для r ND-NA влияют случайные технологические особенно-1/n сти выращивания кристаллов, такие как микронеодноr =(e2/kT )1/n T. (3) родности распределения примеси, внутренние напряжеОтсюда ния, степень компенсации и т. д.

-2/n = r2 T. (4) Из рис. 2 видно, что при низкой концентрации примесей (кривая 1, образец 2) полуширина линии ЭПР Если спин-решеточная релаксация определяется распочти во всем температурном интервале не зависит сеянием свободных электронов притягивающими заряот температуры, и соответствующее время релаксации женными центрами с концентрацией N+, то, принимая T2 10-7 c. По мере увеличения концентрации примесво внимание (4) и тот факт, что скорость электрона ных центров величина H увеличивается примерно на T1/2, получаем порядок, что указывает на соответствующее уменьшение 2/n-1/T2 =(N+)-1 T. (5) времени спиновой релаксации до 10-8 c. При этом появляется заметная зависимость от температуры. Для Приравнивая показатель степени при T к эксперименпредставленных на рисунке образцов (кривые 2, 3 и тальному значению, получаем соотношение для образцов 3, 6 и 10 соответственно) эта зависимость описывается преимущественно законом T2 T, где 2/n - 1/2 = ; n = 4/(2 + 1). (6) = 0.47 для образца 3, 0.33 для образца 6 и 0.42 для образца 10, т. е. для этих образцов 0.5. B cильно Как видно из рис. 2, для образцов со свободными легированных образцах, когда линия становится особен- спинами имеет различные значения при различных 4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 818 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Е.Н. Мохов температурах и концентрациях примесей. Для самого одинаковы и A/B = 1. По мере увеличения проводимосильно легированного образца 16 при низких темпе- сти это отношение увеличивается. Однако для исследоратурах = 0.6, а при более высоких 0. Менее ванных образцов зависимость отношения A/B от концентрации примесей оказывается настольно неоднозначной, легированный образец 14 имеет = -0.1, а для еще слабее лигерованных образцов -0.5. Этим зна- что представлять ее в виде кривой представляется неинформативным. Из сопоставления этих отношений чениям соответствуют следующие показатели степени для различных концентраций примесей при температуре пространственного распределения потенциала: для об3.2 K можно только заметить, что по мере увеличения разца 16 при низких температурах n = 1.8; при более концентрации отношение A/B растет от 1 до 3, хотя высоких n = 4. Для образца 14 n = 5, а для образцов 3, для некоторых образцов это отношение гораздо больше.

6 и 10 n. Во всех образцах, как вытекает из Наибольшее наблюдаемое на исследованных образцах рассмотрения характера спектров ЭПР [1], спины могут отношение достигало 7.

относительно свободно перемещаться по образцу.

Более информативными оказываются температурные Отсюда следует, что в образцах, относительно слабо зависимости отношения A/B. Они представлены на легированных, но в которых уже существуют движущирис. 4. Для самых слабо легированных образцов это еся спины, спин-решеточная релаксация происходит на отношение не зависело от температуры до тех пор, почти нейтральных центрах, обладающих короткодейпока проводимость образца не становилась настолько ствующим потенциалом. В качестве таких центров могут высокой, что скин-слой оказывался меньше толщины выступать внутренние напряжения и дислокации, флукобразца (кривая 1, образец 5). Дальнейшее увеличение туации нейтральных примесей и другие образования. По температуры и концентрации примесей приводило к мере увеличения концентрации примесных центров и увеличению отношения, причем это увеличение было уменьшения времени спин-решеточной релаксации она тем сильнее, чем больше концентрация (см. кривые 1, начинает происходить на все более мелких образоваобразцы 5 и 2, образец 11). Однако при достижении ниях, несущих некоторый заряд. В образце 14 процесс критической для перехода ИМ концентрации примесей происходит, по-видимому, на кластерах, состоящих из (около 1019 см-3) отношение A/B практически перестаблизко расположенных доноров и акцепторов, дающих вало зависеть от температуры (кривая 3, образец 13), а эффективный показатель степени n = 5. В самом сильно легированном образце 16 при высоких температурах релаксация происходит на квадрупольном потенциале, т. е. на кластерах, содержащих по 2 заряженных донора и 2 заряженных акцептора, а при более низкой температуре — на диполях, состоящих из донорно-акцепторных пар.

Такая концентрационная зависимость времени спинрешеточной релаксации связана, по-видимому, с тем, что при более низкой примесной концентрации заряженные кластеры образуются довольно редко, и релаксация Рис. 3. Форма ЭПР линии азота, искаженная скин-эффектом спинов происходит на почти нейтральных образованиях (образец 11, ND-NA = 9.3 · 1018 см-3); A и B —амплитуды технологической природы. По мере увеличения коннизко- и высокополевого крыльев производной линии поглоцентрации примесей релаксация спинов на заряженных щения.

кластерах начинает конкурировать с указанным механизмом, а затем доминировать.

Заметим, что, согласно [1], кроме уширяющейся с ростом концентрации примесей линии I от свободных или слабо локализованных спинов, в образце присутствуют и три других линии от спинов в других состояниях, время спин-решеточной релаксации которых не зависит от температуры. Для линии II T2 10-7 c, для линии III T2 2.8 · 10-8 c и для линии IV T2 2.1 · 10-8 c.

3. Искажения формы линии дайсоновского типа Мерой искажения линии (параметром асимметрии) в том случае, когда она имеет дайсоновскую форму, Рис. 4. Температурные зависимости параметра асимметрии является отношение амплитуды слабополевого крыла A/B ЭПР линии азота в 4H-SiC; ND-NA, 1018 см-3: 1 —7.2, линии A к амплитуде его сильнополевого крыла B 2 —9.3, 3 — 10, 4 — 11, 5 — расчет по теории Дайсона для (рис. 3) [2–4]. Для симметричных линий обе амплитуды T2 D.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Особенности электронного парамагнитного резонанса в 4H-SiC в области фазового перехода... дальнейшее увеличение концентрации в области низких резонансной линии. На свободные спины в полупротемператур приводило к уменьшению этого соотноше- воднике также действует дополнительное поле, но это ния с ростом температуры (кривая 4, образец 14). поле возникает из-за наличия флуктуаций дна зоны Следует отметить, что теория Дайсона предсказывает проводимости [6]. В этом случае D должно обозначать минимальное значение A/B = 2.7, когда время диф- не время диффузии через скин-слой, а время диффузии фузии через скин-слой много больше времени спин- на расстояние порядка размера флуктуации потенциала решеточной релаксации (зависимость 5). дна зоны проводимости. Исходя из этого предположения рассмотрим концентрационные и температурные зависимости отношения A/B.

4. Действие внутренних полей Для относительно слабо легированных образцов (5 и на спектры ЭПР 11) рост отношения A/B связан с увеличением проводимости образца. Чем меньше концентрация примесей, тем Теория Дайсона связывает искажение линии ЭПР с отпри более высокой температуре начинается рост A/B.

ношением времени диффузии спина через скин-слой D Здесь важным является условие

<4l. При этом в формулы, определяющие искажения В то же время для полупроводников, содержащих сволинии, это соотношение не входит. Оно определяет бодные носители заряда, из-за их относительно высокого только применимость формул.

сопротивления скин-слой имеет гораздо большую глуС ростом температуры скин-слой становится все уже, бину, и время диффузии через него на много порядков и соотношение A/B увеличивается от 1 до некоторого превышает время спин-решеточной релаксации. В этом значения, определяемого отношением между D и T2.

случае отношение A/B = 2.7 и не должно изменяться ни Исследование искажения линии в компенсированном с температурой, ни с концентрацией примесей.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.