WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Переходные и редкоземельные элементы в широкозонных полупроводниках SiC и GaN: последние исследования ЭПР © П.Г. Баранов, И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, В.А. Храмцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: Ivan.Ilyin@pop ioffe.rssi.ru Работа посвящена исследованиям электронного парамагнитного резонанса ионов переходных элементов в SiC и GaN и эрбия в 6H–SiC. Представлены данные по ионам Sc2+ и акцепторам скандия, по ионам хрома, молибдена в разных зарядовых состояниях в SiC. Изучены никель и марганец в номинально чистом GaN, выращенном сублимационным сэндвич-методом. Впервые исследован ЭПР эрбия в 6H–SiC.

Эрбий идентифицирован по сверхтонкой структуре спектров ЭПР. Обсуждаются возможные модели эрбиевых центров в карбиде кремния. Наблюдалась интенсивная люминесценция ионов эрбия при комнатной температуре.

Широкозонные полупроводники SiC и GaN с большой акцепторов Sc с более низкой симметрией, обозначенные энергией химической связи являются одними из самых Sca (LT ) и Sca1 (LT ) (здесь LT — low temperature).

перспективных материалов опто- и микроэлектроники, Параметры Sca1 (LT ) : gx = 2.001, gy = 2.016, а также электроники высоких частот и мощностей. В gz = 2.008; Ax = 15.0 · 10-4 cm-1, Ay = 3.0 · 10-4 cm-1, ближайшем будущем на основе GaN ожидаются рево- Az = 5.0·10-4 cm-1. Сигналы Sca (LT ) не исследовались люционные изменения в технике записи информации. детально, но качественно их локальные оси направлены Важной проблемой является легирование SiC и GaN вдоль связей Si–C, не сонаправленных с осью c. Низкая примесями переходных элементов, вводящих глубокие симметрия низкотемпературных сигналов Sc может быть уровни в полупроводник, и создание полуизолирующих обусловлена перераспределением спиновой плотности и, слоев этих материалов. Основным и наиболее информа- возможно, нецентральным положением атома скандия.

тивным методом исследования структуры дефектов на Альтернативная возможность — более сложная струкатомном уровне является метод электронного парамаг- тура дефекта (комплекс с вакансией углерода и т. п.).

нитного резонанса (ЭПР).

1.2. Х р о м. В кристаллах 6H–SiC : Cr найдены сигнаНастоящая работа посвящена использованию метода лы ЭПР от ионов хрома в зарядовых состояниях Cr3+ ЭПР для исследования ряда примесных центров пере- (3d3, S = 3/2) [2] и Cr2+ (3d4, S = 2). Хром ходных и редкоземельных элементов в SiC.

идентифицирован по СТ структуре спектров от ядер Cr (I = 3/2). В решетке 6H–SiC можно выделить три кристаллографически неэквивалентные позиции — 1. Ионы переходных элементов в SiC гексагональную (h) и две квазикубическиe (k1 и k2).

Наблюдались сигналы Cr3+ в двух неэквивалентных 1.1. С к а н д и й. В кристаллах 6H–SiC : Sc обнаружены положениях в решетке (по-видимому, k1 и k2). СТ два типа спектров ЭПР, принадлежащих скандию, коструктура надежно зафиксирована только в ориентации торые были приписаны авторами акцепторам скандия и B c, для позиций k1: A = 8.67 · 10-4 cm-1 и k2:

ионам Sc2+ [1]. При температурах около 40 K наблюA = 9.11 · 10-4 cm-1. Сигналы Cr3+ могут быть дались сигналы акцепторов скандия Sca (HT), (здесь описаны СГ HT — high temperature) и сигналы ионов Sc2+ (3d1, S = 1/2). Те и другие имеют аксиальную симметрию H = g µBBzSz + gµB(BxSx + BySy) относительно c-оси и могут быть описаны спиновым гамильтонианом (СГ) + D Sz - 1/3S(S + 1) + SAI, (2) H = µBBgS + SAI, (1) где D описывает тонкую структуру. Поскольку расщепление в нулевом поле D gµBB, то наблюдается где S, I — электронный и ядерный спины, µB —магтолько переход Ms = ±1/2 внутри крамерсова дублета, нетон Бора, A — тензор сверхтонкой (СТ) структуры.

который описывается эффективным спином S = 1/Ось z параллельна c-оси кристалла. Примесь Sc была и гамильтонианом (1) с эффективными g-факторами.

идентифицирована по СТ структуре спектров от взаимодействия с изотопом Sc (I = 7/2). Параметры для Sca Эффективные значения g-факторов: g = 4.0, 4.02;

g = 1.97, 1.96 для k1 и k2-позиций соответственно.

(HT) : g = 2.0016, g = 2.0011; A = 10.1 · 10-4 cm-1, Можно показать, что экспериментальные величины g A = 22.6 · 10-4 cm-1; для Sc2+ : g = 2.0047, связаны с истинными значениями g-фактора так: g = g, g = 2.002, A = 44.6 · 10-4 cm-1, A = 8.4 · 10-4 cm-1.

При понижении температуры до 4 K эти спектры исче- g = 2g[1 - 3/16(h/2D)2]. Наши оценки показывают, зают, и появляется по крайней мере два разных сигнала что величина D > 40 GHz.

8 866 П.Г. Баранов, И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, В.А. Храмцов Таблица 1. Параметры ионов Mn и Ni в GaN [4] ца определена по характерной СТ структуре спектров от взаимодействия с ядерным спином изотопа Mn |D|, A, (I = 5/2, 100 %). Зарядовое состояние марганца — Ион g g Примечание 10-4cm-1 10-4cm-Mn2+ (3d5), S = 5/2. Наблюдались сигналы от ионов Mn2+ (3d5) 1.999 1.999 240 70 S = 5/Ni с угловой зависимостью, характерной для системы Ni3+ (3d7) 2.10 4.2 S = 1/= с электронным спином S = 3/2 в сильном аксиальном 2.10 2.1 1.5 · 104 S = 3/= кристаллическом поле. Зарядовое состояние никеля — Ni3+ (3d7, S = 3/2). Спектры Ni можно описать СГ (2) Таблица 2. Параметры центров эрбия в 6H–SiC:Er (истинный спин S = 3/2), или, так как кристаллическое поле сильное, D gµBB, СГ (1) (эффективный спин Ax, Ay, Az, Спектр gx gy gz S = 1/2). Параметры для обоих ионов приведены в 10-4cm-1 10-4cm-1 10-4cm-табл. 1. Оба иона занимают узлы галлия в решетке GaN.

LS1 12.2 3.35 1.5 450 124 LS2 10.6 6.16 1.26 390 227 3. Эрбий в 6H-SiC LS3 9.25 7.2 1.45 353 276 Ax2 8.28 8.28 1.07 290 290 Ax3 8.07 8.07 1.16 285 285 41 Кристаллы 6H–SiC : Er были выращены сублимационным сэндвич-методом и легированы в процессе роста. В кристаллах 6H–SiC : Er наблюдались сигналы ЭПР двух типов — низкой (орторомбической) симметрии (LS — Помимо СТ взаимодействия с ядром Cr, обнаружено low symmetry) и аксиальные (Ax) [5]. Обнаружена СТ СТ взаимодействие с ядрами ближайших соседей Cr3+ в структура сигналов LS, возникающая из-за взаимодейрешетке [2]. Эти взаимодействия можно объяснить, если ствия с ядрами изотопа Er (I = 7/2, 22.8 %), эти предположить, что атом хрома сдвинут из узла кремния сигналы авторы приписывают примеси Er3+ в трех кривдоль оси c.

сталлографически неэквивалентных позициях в решетке Сигнал двухвалентного хрома Cr2+ (3d4, S = 2), 6H–SiC. Сигналы LS можно описать СГ (1). Параметры который наблюдался только в кристаллах, выращенных см. в табл. 2. Структура низкосимметричных центров на C стороне SiC, может быть описан СГ (2). Параметры эрбия показана на рисунке, часть a в позициях h и k1. Ха следующие: g = 1.987, g = 1.942, A 15 · 10-4 cm-1, = рактер угловых зависимостей показывает, что ось центра |D| = 1.285 cm-1.

1.3. М о л и б д е н. В кристаллах 6H–SiC наблюдали сигналы ионов молибдена в двух зарядовых состояниях:

Mo4+ иMo3+. СТ структура спектров от взаимодействия 95 со спинами ядер изотопов Mo (I = 5/2) и Mo (I = 5/2) позволила однозначно определить примесь [3].

В кристаллах слабого n-типа видны сигналы Mo4+ (3d2, S = 1) в положениях k1 и k2, а в кристаллах сильного n-типа — только сигналы от позиции k2, т. е. разные положения примеси Mo4+ в решетке дают уровни с сильно различающимися положениями в запрещенной зоне. Положения линий могут быть описаны спиновым гамильтонианом (2). Параметры g = 1.977, 1.975; g = 1.976, 1.977; |D| = 1018 · 10-4 cm-1108 · 10-4 cm-1 для k1 и k2-позиций соответственно.

Сигналы ионов Mo3+ (4d3, S = 3/2) наблюдались в кристаллах n-типа. Параметры g = 1.945; g = 1.969;

|D| > 2cm-1. Кроме того, обнаружен сигнал ионов Mo5+ (4d1), который может быть описан СГ (1) при S = 1/2; его параметры — g = 1.9679; g = 1.9747 [3].

Сигналы Mo не наблюдаются в кристаллах p-типа, и возможно, что в этом случае равновесным является непарамагнитное состояние Mo6+(4d0).

2. Mn и Ni в GaN В номинально чистых кристаллах GaN, выращен- Модели центров Er3+ в 6H–SiC. a — орторомбические центры в h- и k-позициях. b — две модели аксиальных центров ных сублимационным сэндвич-методом, найдены сиг(h-позиции).

налы ЭПР марганца и никеля [4]. Примесь марганФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Переходные и редкоземельные элементы в широкозонных полупроводниках SiC и GaN... не совпадает с c-осью кристалла, а отклонена от нее на 700 (1100), и центр (ось z) ориентирован вдоль одной из связей Si–C. Такая ориентация центров показывает, что низкосимметричные центры эрбия представляют собой ион Er3+ в позиции кремния в комплексе с другим дефектом (вакансия углерода или кислород) в ближайшей позиции углерода, причем для любой неэквивалентной позиции дефект (см. рисунок, часть a) может занимать позиции углерода 1, 2 или 3, но не позицию 4.

В кристаллах 6H–SiC : Er было обнаружено шесть сигналов с аксиальной симметрией относительно гексагональной оси (Ax1 - Ax6). Только для двух линий (Ax2, Ax3) была недежно зарегистрирована СТ структура.

Как и в случае низкосимметричных центров, она состоит из восьми линий малой интенсивности и возникает изза взаимодействия с ядрами Er. Аксиальные угловые зависимости центров эрбия могут быть описаны СГ (1) (параметры в табл. 2) и объяснены двумя моделями центров, представленными на рисунке, часть b для h-позиции. В первой модели эрбий занимает узлы кремния в регулярной решетке. Во второй модели наряду с ионом Er3+ в позиции кремния имеется еще дефект в соседней позиции углерода вдоль оси c. Подчеркнем, что для аксиальных центров ось дефекта параллельна c-оси кристалла для всех неэквивалентных позиций. В кристаллах, в которых наблюдался ЭПР эрбия, была зарегистрирована интенсивная люминесценция на длине волны 1.54 µm, связанная с ионами эрбия [6].

Таким образом, за последние несколько лет изучен ЭПР примесей нескольких переходных элементов, замещающих кремний в 6H–SiC: скандия, молибдена и хрома и акцепторов скандия. Получены первые данные ЭПР по переходным примесям марганца и никеля в нитриде галлия. Впервые изучен ЭПР эрбия в SiC.

Работа была частично поддержана РФФИ (грант № 98–02–18241).

Список литературы [1] П.Г. Баранов, И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, А.Д. Роенков, В.А. Храмцов. ФТТ 39, 1, 52 (1997).

[2] P.G. Baranov, V.A. Khramtsov, E.N. Mokhov. Semicond. Sci.

Technol. 9, 1340 (1994).

[3] J. Baur, M. Kunzer K.F. Dombrowski, U. Kaufmann, J. Schneider, P.G. Baranov, E.N. Mokhov. Inst. Phys. Conf. Ser.

155, 12, 933 (1997).

[4] P.G. Baranov, I.V. Ilyin, E.N. Mokhov. Solid Stat. Commun. 101, 8, 611 (1997).

[5] P.G. Baranov, I.V. Ilyin, E.N. Mokhov. Solid Stat. Commun. 103, 5, 291 (1997).

[6] П.Г. Баранов, И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, А.Б. Певцов, В.А. Храмцов. ФТТ 41, 1, 38 (1999).

8 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 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.