Энергетический спектр резонансных состояний мелких примесей и основного состояния акцепторов в германии в магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Р Г 6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ПРОШИН Сергей Анатольевич

УДК 621.315.592

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР РЕЗОНАНСНЫХ СОСТОЯНИЙ ГУЛКИХ ПРИМЕСЕЙ И ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ АКЦЕПТОРОВ В ГЕШАНИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ГОЛУБЕВ В.Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

СЕЙШ Р.П.

кандидат химических наук АНДРЕЕВ Б.А.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Защита состоится " Ь " оКтт'Ь^л 1993 г. в /О часов на заседании специализированного совета & К 003.23.02 при Физико-техническои институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФШ имени А.ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан " ^ " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

С.И.БАХОЛДИН

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Мелкие примеси (доноры и акцепторы) ответственны за характеристики большинства приборов, изготавливаемых на основе полупроводников. Поэтому необходимо знать источники возникновения примесей, внутренее строение образуемых ими центров, их поведение при тех или иных внешних воздействиях, в том числе, в магнитном поле.

При помещении водородоподобной примеси в магнитное поле настолько сильное, что циклотронная энергия носителя заряда превосходит энергию ионизации примеси, наблюдается ряд эффектов, несвойственных для малых магнитных полей. Так Зееманов-ское расщепление возбужденных состояний атома становится настолько большим, что все термы, имеющие положительные проекции момента импульса, оказываются вытолкнутыми в зону свободных носителей. Кроме этого, становится возможным наблюдать состояния кулоновского центра, существующие только в сильных магнитных полях и также вырожденные со спектром свободных носителей. Эти состояния распадаются при уменьшении магнитного поля, за что их называют метастабильными. Оба эти вида резонансных состояний атома в сильном магнитном поле до сегодняшнего дня остаются малоизученными как экспериментально, так и теоретически.

В качестве объекта исследования был выбран германий, благодаря его исключительной чистоте. Малая концентрация доноров и акцепторов (10*^-10^ см-3) в использованных образцах позволила свести к минимуму эффекты взаимного влияния отдельных примесных атомов.

Точное знание энергетического спектра резонансных состояний водородогодобных центров в германии может быть использовано для дальнейшего изучения физических свойств мелких примесей. В настоящей работе оказалось возможным исследовать эффект Зее-мана основного состояния акцепторов 3-ей группы в германии по спектрам оптических переходов в резонансные состояния, а также приведены примеры использования переходов в резонансные состояния для экспрессного анализа химического состава мелких доноров и акцепторов в германии методом лазерной субмиллиметровой спектроскопии.

Целыо диссертационной работы ставилось:

1. На примере доноров и акцепторов в германии экспериментально изучить спектр резонансных состояний водородоподобных атомов в сильном магнитном поле (когда циклотронная энергия носителя заряда сравнима или превосходит энергию ионизации атома), а также исследовать Зеемановское расщепление основного состояния акцепторов.

2. Разработать методику анализа химического состава мелких примесей в германии по спектрам фотопроводимости переходов в резонансные состояния в магнитном поле, т.е. при энергии квантов излучения больше энергии ионизации примесей.

Практическая ценность. Освоена методика бесконтактной регистрации спектров фотовозбуждения мелких примесей, гарантирующая сохранение высокой чистоты и отсутствие деформаций исследуемого материала. В работе показано, что с помощью дальней ИК лазерной фотоэлектрической магнятоспектроскопии возможен экспрессный анализ химического состава мелких примесей в полупроводниках по спектрам переходов из основного состояния мелких примесей в резонансные состояния. При этом отсутствие ступени термоионизации примесей в механизме возникновения фотоотклика (по сравнению с фототермоионизационными механизмом) упрощает подбор оптимальной температуры эксперимента. Полученные при выполнении работы результаты использовались дая анализа состава остаточных пригасай в особо чистом германии в рамках работ по созданию детекторов ядерных излучений, выполняемых в ШРЕДМЕТе, Институте Химии Высокочистых Веществ РАН (г. Н. Новгород) и на Красноярском заводе цветных металлов.

Научная новизна работы определяется тем, что до ее выполнения резонансные состояния мелких примесей в магнитном поле в полупроводниках с анизотропной и вырожденной зоной практически не исследовались ни экспериментально, ни теоретически; отсутствовали сообщения о наблюдении с помощью спектроскопических методов расщепления основного состояния акцепторов в германии, обусловленного снятием в магнитном пале вырождения состояния по проекции момента количества движения . Научная но-

визна работы состоит в следугацих полученных результатах:

- изучен энергетический спектр резонансных состояний доноров и акцепторов в германии в магнитном поле;

-наблюдалась тонкая структура спектральных линий переходов из основного (1Гд+) состояния в резонансные состояния акцепторов 3-ей труты в германии, обусловленная Зеемаяовскши расщеплением состояния 1Г8+;

- определены численные значения $ -факторов и коэффициентов при квадратичных по магнитному полю членах Гамильтониана.

На вадшту выносится:

1. Установление энергетического спектра резонансных состояний мелких доноров , Р , Х> ( ¿.V о ) ( и , о ) в особо чистом ( -Лд = Ю1 - 1Сг см-3) германии в магнитном поле до 6,5 Тл, параллельном оси вращения 3-его порядка (А - долина зоны проводимости в поле В II С III3 )• Определение полного набора квантовых чисел, характеризующих зарегистрированные состояния в пределе сильного магнитного поля.

2. Установление энергетического спектра резонансных состояний мелких акцепторов 3-ей группы в особо чистом германии (Ад--А£= Ю10 - Ю11 см"3) в магнитном поле до 6,5 Тл. Классификация зарегистрированных состояний по связи с уровнями Ландау легких дырок. Влияние анизотропии валентной зоны на спектр резонансных состояний, выражающееся в зависимости энергии связи состояний от ориентации магнитного поля и в зависимости интенсивности переходов в эти состояния от величины и направления магнитного поля.

3. Обнаружение структуры линий переходов в резонансные состояния акцепторов, обусловленной расщеплением основного (ГГд") состояния из-за снятия в магнитном поле четырехкратного вырождения по проекции момента 3 = , и оцределение численных значений ^ -факторов (= -0,117*0,014, ^ =

= 0,097*0,007) и коэффициентов перед квадратичными по полю членами Гамильтониана состояния 1Гд+ ((0,84*0,13) мкэВ/Ъг2, = -(0,16*0,13) мкэВ/Пл2).

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на ХП Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г. Киев, 1990), на 1У Международной конференции по мелким примесям в полупроводниках (г. Лондон, 1990), а также на семинарах в ФГИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. Основные результаты изложены в 4-х печатных работах, которые перечислены в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 34 рисунка. Список цитированной литературы включает 78 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по тема исследования. В первом параграфе излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований резонансных состояний водородоподобннх атомов в магнитном поле. В пределе сильного магнитного поля, когда энергия поперечного движнния носителя заряда намного превосходит энергию его взаимодействия с кулонов-ским центром, возможно применение адиабатического приближения для описания связанных состояний носителя заряда на кулоновском центре. При этом уровни энергии водородоподобного атома характеризуются набором квантовых чисел ( А/ , т , к ) (где N = 0, 1,2... - номер уровня Ландау, т $ А/ - магнитное квантовое число, к = О, I, 2 ... - кулоновское квантовое число). Обзору экспериментальных и теоретических работ по исследованию эффекта Зеемана основного (ГГд") состояния акцептора с симметрией (3-я группа периодической системы) в германии посвящен второй параграф. В третьем параграфе описан метод суб-мяллиметровой фотоэлектрической спектроскопии, являющейся самым чувствительным методом изучения энергетического спектра мелких примесей в полупроводниках.

На основе анализа литературных данных выделены недостаточ-

но изученные вопросы по указанным темам. Сформулированы задачи данного исследования.

Во второй главе содержится описание методики эксперимента. Для выполнения данного исследования был использован суб-миллиыетровый лазерный магнитоспектрометр, основными элементами которого являются субмшишметровый лазер с оптической накачкой, криомагнитная система и аппаратура регистрации фотоотклика образцов. Запись спектров фотовозбуадения мелких примесей осуществлялась разверткой магнитного поля при фиксированной частоте излучения лазера.

Принцип действия использованного субмиллиметрового лазера основан на накачке паров и газов низкого давления (СН3ОН или СНд(Ш ) излучением непрерывного С02 - лазера, перестраиваемого с помощью дифракционной решетки. Уровень выходной мощности в линии генерации субмаллиметрового лазера составлял 0,315 мВт. Ширина линии генерации лазера не превышала Ю-2 мкэВ, долговременная нестабильность мощности излучения была не более ±3 %.

Криомагнитная система состояла из металлического криоста-та и расположенного внутри него проволочного сверхпроводящего соленоида. Максимальное пола, получаемое с помощью соленоида, составляло около 6,5 Тл.

Разрешение ыагнитоспектрометра ограничивалось неоднородностью магнитного шля в пределах исследуемого образца и зависело от коэффициента наклона по магнитному полю энергии исследуемого перехода. В случае перехода из основного состояния мелкого донора в германии в возбужденное состояние 2Р+^ д разрешающая способность била не хуже 1,5 мкэВ.

Исследуемый образец находился во внутреннем отверстии соленоида при температуре жидкого гелия (4,2 К). Используемые световодные системы позволяли проводить измерения в геометрии фарадея , ^ -^волновой вектор падающей волны) или в

геометрии Фогта ( ) в неполяризованном или поляризо-

ванном свете.

Для записи спектров фотовозбуждения образцов использовалась бесконтактная методика регистрации. Отсутствие контактов

- о -

гарантировало сохранение высокой чистоты и отсутствие деформаций исследуемого материала.

Образцы высокочистого германия h - и в -типа содержали

ТП Т? -Я

энергетически активные примеси в концентрации 10 - 10 см . Ориентация кристаллографических осей в большинстве образцов совпадала с плоскостью (110). Это позволяло, вращая образец в этой плоскости, переходить от ориентации BII £00lj через BII [ill] к ориентации BII [iioj .

В третьей глава изложены результаты исследования резонансных состояний мелких примесей в германии в магнитном поле.

Первый параграф посвящен резонансным состояниям доноров. Зона проводимости германия имеет четыре эквивалентных минимума, расположенных в L -точках зоны Браллюэна. Магнитное поле fel fillJ выделяет один из этих минимумов (А - долина) и оставляет эквивалентными три остальных (В - долины). Кулоновский потенциал донора образует возбужденные состояния в каждой из этих четырех долин, причем состояния В - долин оказываются вырожденными по энергии. В данной работе резонансные состояния А - долины изучались по спектрам переходов из основного состояния I S -мультиплета доноров Li , Р и донорных комплексов J} (Li ,0 ), Л ( Н ,0). При определении энергии резонансных состояний в магнитном поле учитывался химический сдвиг основного состояния различных доноров и зависимость энергии основного состояния от магнитного поля (диамагнитный сдвиг). По спектрам переходов при энергиях квантов излучения в диапазоне 10-22 мэВ были построены зависимости от величины магнитного поля энергий резонансных состояний, связанных с А - долиной зоны проводимости. Наблюдались состояния под 12-тыо нижними уровнями Ландау. Влияние химической природы доноров на энергию резонансных состояний обнаружено не было. По правилам отбора для электродигольных переходов определены квантовые числа ( , у» , к ), характеризующие зарегистрированные резонансные состояния доноров ( А/л - номер уровня Ландау А - долины, т -магнитное квантовое число, к- кулоновское квантовое число).

Во втором параграфе содержатся результаты исследования резонансных состояний акцепторов 3-ей группы в германии в маг-

нитном поле. Валентная зона германия характеризуется четырехкратным вырождением по спину и наличием гофрировки изоэнергетических поверхностей. Поэтому были исследованы зависимости энергетического спектра как от величины магнитного поля, так и от направления шля относительно кристаллографических осей. Регистрировались спектры переходов из основного состояния акцепторов в резонансные состояния при энергиях квантов излучения 10-22 мэВ. При вычислении энергий конечных состояний переходов пренебрегалось диамагнитным сдвигом и Зеемановским расщеплением основного состояния, т.к. эти эффекты малы по сравнению с энергией резонансных состояний. Были построены зависимости энергий резонансных состояний от величины и ориентации магнитного поля. Установлено, что энергия резонансных состояний не зависит от химической природы акцептора. Путем сопоставления полученных зависимостей с рассчитанными зависимостями от ориентации поля энергий уровней Ландау зарегистрированные резонансные состояния были классифицированы по их связи с уровнями Ландау легких дырок. В сериях состояний, связанных с одним уровнем Ландау, наблюдалось до 20-ти состояний. Обнаружено влияние анизотропии валентной зоны на спектр резонансных состояний акцепторов. Это влияние выражается в зависимости энергии состояний от направления поля, что приводит даже к пересечению состояний, связанных с одним уровнем Ландау. Анизотропия валентной зоны обуславливает также зависимости интенсивностей переходов от величины и направления магнитного юля.

В третьем параграфе показано, что с помощью дальней ПК лазерной фотоэлектрической магнитоспектроскопии возможен экспрессный анализ химического состава мелких примесей в полупроводниках по спектрам переходов из основного состояния примесей в резонансные состояния (при энергии квантов излучения больше энергии ионизации примесей). При этом в механизме возникновения фотоотклика отсутствует ступень термической ионизации возбужденного излучением примесного атома. Из резонансного состояния носитель заряда попадает в зону, испуская фононы. По сравнению с фототермоионизационным механизмом, традиционно используемым для регистрации спектров фотовозбуздения при проведении анализа химического состава примесей, отсутствие ступени термической

ионизации способствует увеличению числа носителей, достигающих зони, и упрощает подбор оптимальной температуры эксперимента.

В четвертой главе рассматривается эффект Зеемана основного (Пд+) состояния акцепторов 3-ей группы в германии. В германии основное состояние акцепторов с симметрией Т^ относится к неприводимому представлению Гд и является четырехкратно вырожденным по проекции момента 3 * . В магнитном поле это состояние описывается Гамильтонианом

ГД0 рь - магнетон Бора; 6>х , 6«, , Ь^ - проекции магнитного поля по оси кубической симметрии; 3* , , 34 - операторы проекций момента О ; 1 ' ^ > > ^ " постоянные, характеризующие уровень.

В представленной работе была зарегистрирована тонкая структура спектральных линий переходов из основного состояния в резонансные состояния акцепторов в магнитном поле. В результате анализа полученных спектров было показано, что наблюдаемая структура линий связана с Зеемановским расщеплением основного состояния акцептора. В работе приведены экспериментальные зависимости величины расщепления состояния 1Гд" от магнитного поля в ориентациях В

II [0013 и ви[ио] .

Во втором параграфе этой главы в результате теоретического анализа были получены правила отбора для электродипольных переходов из термов состояния 1Гд+ в резонансные состояния под уровнем Ландау Ь^(о) легких дырок. На основании сравнения правил отбора и интенсивностей пиков тонкой структуры в геометрии Фарадея и в геометрии Фогта проведена идентификация спектральных компонент переходов.

В третьем параграфе определены численные значения ^ -факторов и коэффициентов при квадратичных по магнитному полю членах Гамильтониана основного состояния акцептора 3-ей группы в германии: = - 0,117*0,014, = 0,097*0,007,

г^ = ( 0,64-. 0,13) мкэВ/Тл2, = -( 0,16* 0,13)ыкэВ/Тл2. Вычислены зависимости от величины магнитного поля энергий Зэема-

новских подуровней основного состояния в трех нетривиальных ориентация* магнитного поля В II , В II £ ШЗ и

В II [НО] .

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Изучен энергетический спектр резонансных состояний доноров Li » Р и донорных комплексов JD ( L.* , О ) ( н ,0 ) в особо чистом германии ( Л= 10^ - 10 см~^) в магнитном поле до 6,5 Тл, параллельном оси вращения 3-его порядка (А - долина зоны проводимости в поле В II [ill} под уровнями Ландау с номерами Л^ =1-12. Для исследованных доноров установлено, что энергия резонансных состояний в магнитном поле не зависит от химической природы донора. Определены квантовые числа ( /VA , m , к ), характеризующие зарегистрированные состояния ( м - магнитное квантовое число, к - кулоновское квантовое число) максимум для 7-ми состояний под одним уровнем Ландау.

2. Исследован энергетический спектр резонансных состояний акцепторов 3-ей группы в особо чистом германии ( А/д -A^j = I010 - Ю11 см ) в магнитном поле до 6,5 Тл. Получены зависимости энергий резонансных состояний от величины и ориентации магнитного шля. Установлено, что энергия резонансных состояний в магнитном поле не зависит от химической природы акцептора для любых направлений поля. Зарегистрированные состояния классифицированы по их связи с уровнями Ландау валентной зоны. Показано, что все наблюдаемые состояния связаны с 16-ю нижними уровнями Ландау легких дырок. Под одним уровнем Ландау регистрировалось до 20-ти состояний. Обнаружено влияние анизотропии валентной зоны на энергию резонансных состояний акцепторов и интенсивности оптических переходов в эти состояния.

3. Показано, что с помощью дальней Ж лазерной фотоэлектрической магнитосшктроскоши возможен экспрессный анализ химического состава мелких примесей в полупроводниках по спектрам переходов из основного состояния примесей в резонанс-

ныв состояния. При этом отсутствие ступени термоионизации примесей в механизме возникновения iотооткпика (по сравнению с фототермоионизационным механизмом) упрощает подбор оптимальной температуры эксперимента.

4. Наблюдалась тонкая структура спектральных линий переходов из основного состояния (ITg") в резонансные состояния акцепторов 3-ей группы в германии в магнитном поле. Показано, что структура линий связана с Зеемановским расщеплением состояния 1Гд , четырехкратно вырожденного в отсутствие поля по проекции момента

5. Измерены зависимости величины расщепления состояния ITq от величины магнитного поля. По правилам отбора для элек-тродипольных переходов проведена идентификация Зеемановс-ких компонент основного состояния и определены численные значения -факторов и коэффициентов при квадратичных по магнитному полю членах Гамильтониана основного состояния акцептора 3-ей группы в германии.

Результаты диссертации опубликованы в слеяущих работах.

1. Васильев В.П., Голубев В.Г., Кропотов Г.И., Пронин С.А. Резонансные состояния акцептора в полупроводнике с выровденной анизотропной зоной. - В кн.: Тезисы ХП Всесоюзной конференции по физике полупроводников, г. Киев, 23-25 октября 1990 г., часть 2, с. 183-184.

2. <Яоe«e«v V.Gi., kropobv Ä.I., ProiVim S.A.,

R. S-fei-fei o{ A

Aeee/vfoir Vn ^едеиегч.'/'е Anliofroptc. .Sew*;-

cot^dudvf,— Pro с.. ¡'S T*-h. Con £, £ h<=> €во\л> X^i/iur, ^еи*;сйи</. СLondonJj i3SO (рол~Ы.г)> f>. 33"2>- —

3. «50в<л€<а.уУ V.(n.( kTO/aofov/ft.X.j Pros.h!t» S.A.j Vasi'&'ZV V.P. Kes,o{ H^dro^e*. Cike. m ön.'so^pi'c sewi'co«-

duc-tor-: Sh*t6£e>us donors. <5»G. - So6vd Sr.

GO^^ma»., 135?., tJS p. - ЪО.

<y. (noeu&ev 1Л (л. ) krofota* G.I., РгодАЛ, Ç.fi^

z-ho+bs of i-h e byc/v-og e*, - èike. -iwyaMri'i'i'ei i*-> «и('toi'ropVc. semi'aii.

du.c.bor : Sh^ßßow «ccepbn jV> «Яе..— So Cid" Sr.

v. У*, /JS2, yo. Ar^- .