ЭПР и спин-зависимая рекомбинация в облученном кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ВЛАСЕНКО Марина Петровна

УД£ 621.315.629

ЭПР Й СПИН-ЗАВИЗ ИКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ В ОБЛУЧЕННОМ КРЕМНИИ

(01.04.10 - физика полупроводников и дивяектряков)

Автореферат диссертации на соискание учешЯ стеленн кандидата фьэико-матсмаг-тических наук

Ленинград 1991

Работа выполнена в Ордека Ленина физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР,

Научный руководитель - доктор физико-математичеоких наук,

заведующий лабораторией П.Г.Баранов.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

заведуюяий кафедрой Экспериментальной физики Л1ТУ, профеосор В. Ф.Ма стеров.

кандидат физико-математических наук, доцент ЛЭТИ им. В.И.Ульянове/Ленина/ В. А.Ильин.

Ведущая организация — Институт физики АН УССР, г. Киев.

Защита диосертации состоится 4¿/ё^и^/ 1991 г.

в -/О часов на заоедании специализированного Совета К 003.23. при Физкко-техничеоком институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР по адресу: 194021, Ленинград, Политехничеокзя ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института.

1991 г.

Автореферат разослан " г •"

Учёный секретарь специализированного Совета К 003.23.02, кандидат физико-математических наук С.К.Баходдии.

Актуальность теш.

Метод электронного пирамашитного резонанса /ЭЛР/ ягаяется основным методом исследования микроструктуры точечные дефектов в твёрдых телах и, в частности, з полупроводниках. В кремнии, например, обнаружено более двухсот различных спектров ЭПР примесей л структурных дефектов, на основании которых была установлена электронная структура к предложены модели боллшшства пара-магаитных центров.

Применение метода ЗПР обычно охраничеко использованием образцов о достаточно шоокой концентрацией парамагнитных центров, порядка Ю16 - Ю18 так как метод ЭПР основан на детек-

тировании изменения поглощения микроволновой мощности парамах^ нитнымя центрами при магнитном резонансе. Однако, развитие технологии полупроводников и полупроводниковн;: приборов требует оседания новых физических методов контроля и исследования различных дефектов при их низкой концентрации не только в полупроводниковых материалах, но и непосредственно в полупроводниковых приборах. Извеотно, что налт-пет дефектов в концентрациях 10 • -Ю*3 см--3, образующихся на различных стадиях*производства приборов или в процессе их эксплуатации, может приводить к изменению параметров приборов, а, например, при концентрациях радиационных дефектов 10 - Ю*5 см-3 некоторые полупроводниковое приборы уже выходят из строя.

Развит™ радиационной технологии полупроводников, когда облучение малыш дозами электронов или / квантов используется для упраачения параметрам! приборов, тробуег также создания физических методов иденмТмкацил и контроля состава радиационных дефектов в полупроводниках при их малой концентрата.,

Одним из более перспективных направлений повышения чувотви-тельности традиционной ЗПР спектроскопии полупроводников является использование оптического возбуждения образцов ггри регистрации спектров ЭПР. С одной стороны, при освещении в полупроводниковых криоталлах могут образовываться парамахъитние состояния дефектов с неравновесной спиновой поляризацией, что приводит к сильному возрастанию I лтеноивностл лилий ЗПР. Это характерно для возбужденных трпплатных оостояний дефектов. С другой стороны,

- 4 -

при освещении полупроводника межзонным светом в уоловиях магнитного резонанса может изменяться скорость - рекомбинации фотовозбуждённых постелей и спектры ЭПР можно регистрировать по изменению фотопроводимости образца. Такой метод регистрации спектров ЭПР может оказаться более чувствительным, чем измерение поглощения микроволновой мощности парамагнитными централ®.

Изменение (Фотопроводимости полупроводника при насыщении ЭПР переходов парамагнитных центров рекомбинации - явление спин-зависимой рекомбинации - шервые было обнаружено в кремнии на поверхностных рекомоинационню: центрах в 1970 г. Затем спин-зависимая рекомбинация исследовалась на дислокациях в пластически деформированном кремнии, б аморфном кремнии и в других неупорядоченных полупроводниках. В кристатическом кремнии, содержащем точечные структурные дефекты, радиационные дефекты, слин-зависиюя рекомбинация до качала настоящих исследований не изучалась.

Всё сказанной выие определяет актуальность теми настоящей диссертационной работы, посвящённой изучению процессов соин-за-висиыой рекомбинации в кремнии, содержании радиационные дефекты.

Цел^ работы

Целью диссертационной работы било исследование физических процессов изменения Фотопроводимости облучённых кристаллов кремния ..ри изменении спинового состояния парамагнитных центров ре-.комбинации - процессов спин-зависимой рекомбинации - и разработка на основе этих исследований новых, более чуочтвительных методов регистрации сигналов ЭПР, а также исследование возможности регистрации парамагнитных рекомби^ационных центров непосредственно в полупроводниковых р-п-структурах.

Научная нови?на и защищаемые положения

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что впервые были изучены процессы спин-зависимой рекомбинации в облучённых кристаллах кремния о участием возбуждённых триллет-пю: состояний центров рекомбинации. Обнаружены ноше спектры ЭПР центров со спином I, явчянцихся возбуждёнными тршиетными состояниями радиационных дефектов. Предложены модели парамагнитных центров.

Защищаемые положения, развитые и обоснованные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Спин-зависимая рекомбинация в облучённом крзмшы происходит о участием возбуждённых триглстных состояний радиационных дефектов. Изменение населёииостой магнитных подуровней триплет-ных центров привода к изменению скорости рекомбинации неравновесных носителей и к изменению концентрации фотовопбуждёшшх носителей.

2. Регистрация изменения концентрации фотовозбукдёчных носителей в условиях магнитного резонанса по поглощению электрической компоненты СМ поля в ргдонаторе спектрометра ЭПР свободным! носителями оказывается на четырз порядка более чувствительной, чем поглощение микроволновой мощности оамлшт парамагнитным центрами.

3. • Диыкансии, Е-цзнтры /комплексы фосфср+накаксля/ к дефекты, связанные с мевдуузелът:',".т атомами кремния в облученном кремнии имеют возбуждённые триплетнып состояния.

4. Существует изменение фотопроводимости облученного кремния дрн сканировании магнитного поля через нулевое значение,

5. Существует изменение фототока через облучённые кремниевые р-п-переходы ири включении ¡к как в прямом, так и в обратном направлении при возбуждении ¡«тштного резонанса в системе мапшт-нше подуровней тришгетшх центров, а также изменение фототока

без магнитного резонанса в нулевом гагвптне?* пшгэ л при значениях гапштиого поля, соотвс-^сглузосих '¿очкам аптнгтерзеочекдя магакг-пих подуровней тршшетнпс центров.

6. Существуют эффекты спин-зависимой рекомбинации о участием возбуждённых триплетных состояний дефектов :в облучённых кремняе-шх р-п-пвреходах в отнутстше оптического возбуждения при ин-декщш неосновных носителей.

Практическое значение работы

Практическое значение результатов работы оостоит в разработке на несколько порядков более чувештеольных методов рагастра-цнн спектров ЭПР парамагаитннх центров рекомбинации и а пояуче-

нии возможности исследования состава радиационных дефектов в кремнии при таких малых дозах облучения, когда концентрация их составляет Ю^ - см"^, а также возможности регистрации

парзтГнжгных центроз рекомбинации непосредственно в готовых полупроводниковых диодах.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, подучено авторское свидетельство на способ регистрации сигналов ЭПР. Результаты также докладывались на 6 Всесоюзной конференции "Физико-химические основы легирования полупроводниковых материалов" /Москва,■1988 г./, ьа 4 Всесоюзном совещании "Современные методы ЯК? и ЭПР в хиши твёрдого тела" /Черноголовка, 1985 г./ , на I, 2, 3 и 4 Всесоюзных седанарах "Оптическое детектирование магнитного резонанса в твёрдых телах" /Ленинград, 1981г., Телази, 1983 г., Киев, IS85 г., Таилкн, 1987 г./,.на Всесоюзной конференции "Радиационная Физика полупроводников и родственных материалов" /Ташкент, 1984 г./, на республиканских семинарах до радиационной физике полупроводников /Киев, 1988 г., 1990 г./.

Обоём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 105 страниц, включая иэ рисунков и список литературы из ,37'наименований.

ССЩЕРШШЕ РАБОТЫ •

Во введении даётся общая характеристика работы, рассматри-ваетоя актуальность теш исследований, указывается цель работы, новизна.результатов, их научное и практическое значение, формулируются заиищаемые положения и приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава носш обзорный характер и посвящена описанию основных радиационных дефектов, образующихся при облучении кристаллов кремния быстрыми электронами и / -квантами.

Рассмотрены возбуждённые тршиетные состояния радиационных дебетов, известные до начала настоящей работы, а также кратко

описаны результаты исследований спин-зависимой рекомбинации в кристаллическом кремнии.

Вторая глава посвящена изложению методики экспериментов. Исследования проводились с образцам монокрислалличесг.ого кремния, выращенного как методом бестигельной зонной плавки, так и методсм Чохральского. Использовался кремний п- и р- типа с различным удельным сопротивлением. Эксперименты проводились также о кремниевыми р-п- переходам;.

Облучение образцов осуществлял ль электронам! с анергией I МэВ и X -квантами при комнатной температуре. Доза облучения менялась а широких предела;: от 5'10до 5^I0IS частиц/сг.^ .

Исследования спектров SIIP к процессов спин-зависимой рекомбинации проводились на спектрометре ЭПР 3-см диапазона при температурах 20 - 80 К. Освещение образцов осуществлялось светом галогенной лампы накаливания мошкоотьга 300 Вт.

" Основное внимание в эюи главе уделено описанию методов ре -гистрации изменения фотопроводимости образцов при магнитном резонансе. В отличие от традиционной методики исследования сп"ч-зависимой рекомбинации, когда решстра'шя изменения проводимости облучаемого собственным светом образца при магнитном резонансе осуществляется путём измерен]« фототока через образец с помощью электрических контактов, в настоящей раооте детектирование изменения фотопроводимости исследуемых кристаллов кремния осуществлялось бесконтактным методом по поглощению лектрической компоненты uffl поля свободными фотовозбужяшшымй носителям. Магнитная компонента СИ поля в эгом случае используется лишь для возбуадения магнитного резонанса.

Таким образом, при магнитном резонансе резонатор ЭПР спектрометра "чувствует" не только поглощение СМ мощности парамагнитными центрами, но ть изменение поглощения CW поля свободными носителями, концентрация котог.ых меняется при резонансе за счет изменения скорости рекомбинации. Экспериментально показано, что регистрация спектров ЭПР по изменению поглощения электрической компоненты СМ паля фотовозбужденннмне носителями ло крайней мере на четыре нерядка оказывается более чувствительной, чем в обычном методе ЭПР.

Регистрация сигналов изменения проводимости облучённж кремниевых диодов при магнитном резонансе осуществлялась как по поглощению электрической компоненты СШ поля, так и путём измерения фототока через диода с помофю контактов. Диоды и р-п-структуры с электрически:,® контактами помещались в резонатор ЭКР спектрометрами сих.шш регистрировались при вклтении диодов как в прямом, так и в обратном направлении.

В третьей гаавз изложены результаты исследований процессов спин-зависимой рекомбинации в облученных кристаллах 1фем-ния через возбуждённые триплетные состояния радиационных дефектов.

Б первом параграфе рассмотрена электронная структура и спиновый гамильтониан триплетных центров в кремнии. Получены выражения, описывающие энергетический спектр триплетных центров в магнитном поле, а также выражения для населённостей различных спиновых состояний триплетных центров при спин-селективных переходах из возбуждённого триплетного в основное сингдетное состояние.

Во втором параграфе рассмотрена кинетика образования и рао-пада возбуждённых триплетных состояний центров рекомбинации при межзонном поглощении света. Получена связь между изменением населённостей магнитных подуровней триплетных центров.при магнитно?! резонансе и изменением концентрации фотовозбуждённых носителей з кристалле.

В следу идем параграфе сделан г.чализ полуденных соотношений применительно к исследованным образцам и условия! экспериментов . Проведено сравнение с экспериментальными результатами.

Экспериментально было обнаружено, что при магнитном резонансе в возбуждённом триплетном состоянии А-центрсв /комплекс кио~ лород+вакгнсия/ происходит увеличение скорости рекомбинации фотовозбуждённых носителей и, следовательно, уменьшение фотопроводимости облучённого кремния. Исследовано поведение величины сигналов резонансного изменения фотопроводимости при изменении дозы облучения, т.е. при изменении концентрации радиационных дефектов.

Показано, что максимальная величина сигналов ЭПР, регистрируемых п изменению микроволновой фотопроводимости образцов достигается при матах дозах облучения, порядка 10^ с\~ . При дальнейшем увеличении дозы облучения интенсивность сигналов уьзень-шается, что связано с увеличением концентрации радиационных дефектов и уменьшением времени жизни фотовозбуждённых носителей, т.е. с уменьшением фоточ^вотвительности сбразцой. При дозах облучения больших110IG - Ю1' см-^ иаблвдажгся обычные сигнала ЭПР. Спектры ЭПР возбуждённых трлплетных состоянии А-центра наблюдались в кремнии, выращенном методом Чохральского после облучения его у -квантами дозой порядка 10^ ci.f ^, что при скорости введения дефектов I0"3 соответствует концентрации А-центров

.Таким образом, использование' предложенной методшш регистрации сигналов ЭПР с использованием эффектов спин-зависимой рзком -Санации позволяет исследовать облучённые уллыми дозами кристаллы кремния, когда обычный метод Sil? неприменим.

В четвертом параграфе описаны исследования эффектов изменен»: фотопроводимости облучённого кремния в отсутствие магнитного резонанса в нулевом магнитном поле к в слабых магнитных полях, соответствующих точкам антипере сечения магнжнкх подуровней трпплзт-ных центров.

В четвёртой главе описаны новые спектр УПР, обнаруженное с помощью эффектов спин-зависимой рекомбинации в облучённых кристаллах кремния $i ~ PTI, РТ2, РТЗ, РТ4 и РТ5.

Все обнаруженные спектры, за исключением спектра Si - РТ2, возникаю? от возбуждённых триплетнкх состояний различных радиационных дефектов и наблюдаются только при освещении кристаллов по изменению фотопроводимости. Общим свойством всех обнаруженных спектров триплеткых центров является то, что эти спектры наблюдается в узком интервале углов I 20° вблизи направления < III > . ■Максишльная интенсивность линий этих спектров и максимальное расцепление тонкой структуры наблюдается при ориентации магнитного поля вдоль оси кристалла <III> . ' Поэтому для спектров Si - PTI, РТЗ, РТ4 и РТ5- не удаётся исследовать угловую зависимость положения линий для всех углов мегду направлением каггаи« ного поля и осями кристалла и определить все глаьаые значения

- 10 -

^.-тензора, а.также параметр расщепления в нулевом поле S . Параметр D мо;,сет быть оценен по величине максимального расще-ти>етп линий, соответствующих переходам I + 1> !0> и ' - ] > —- | ОУ , при ориекгациях магнитного поля,близких к оси кристалла <III> .

Спсктт) St - ТО. 'Этот спектр наблюдается после облучения электрона:,® или у -кванташ кремния, выращенного как методом' Чохральского, так и методом бостигельной зонной плавки Зго возникновение не зависит от вида легирующей примеси, однако наблюдается некоторая корреляция между интенсивностью этого спектра и содержанием углерода з образцах. Спектр исчезает при отлиге образцов пр;г температурах 35С' - 375 °С в течение 20 mim.

Спектр Si - 711 состоит из двух интенсивных линий, максимальное расщепление между которыми 860 Э каблвдается ;;ри КПИ<П1> . Спкн центра S = I, £ -фактор вдоль ocü <1П> равен *..G08 ¿ 0.001, константы Г> =(402 1 2)-Ю"4 см"'1 и В = 0.

Каждая из двух линий спектра S¿ - Pf I имеет по два слабых сателлита, находящихся на расстоянии 2 50 Э от основной линии и имеющих интенсивность примерно 2,5 % от интенсивности основной линии. Это псказыпет, что сверхтонкое взаимодействие обусловлено одним ядром , входящим в состав дефекта.

Детальные исследования этого спектра при различных температурах позволили предложить модель дефекта как междуузельного атома кремния, центрированного на сатан между двумя ато?,аки углерода, находящимися в соседних узлах решётки.

.Спектр Si - РТ2. Опектр наблюдается тотько в bl сокоомном кремнии, выращенном методом беотигельной зонной пламен, после облучения ere электронами ил л -квантами. Спектр возникает от парамагнитных центров со спин см 1/2 и имеет тригональную симметрию ¡3- -тензора о осью симметрии <Ш> и = 2.003 -0.001 и ^ = 2.010 -0.001. Ширина линий в спектра около 7 Э. Сверхтонкая структура не наблхш р га съ.

Спектр Si '- FT3. Этот спектр наблвдаетоя после облучения только в бестигельном кремнии, легированном фосфором. Спектр состоит из пар линий сверхтонкой структуры, обуслоаченной взаимодействием с ядром . Расщеплете сверхтонкой структуры составляет 64 3. Спин центра $ ш I, константа D - Э91-КГ4 с\Гг. Найлхща-

ется сверхтонкое взаимодействие с тремя ядрами кремюш.

Te.wepaTvpa отлига центров Si - FT3 составляет 120 * 150°С и совпадает с температурой от.-лга Е- центров /комплекс фосфор + вакансия/. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что спектр Si - РТЗ зозникает от возбуждённого триплет-ного состояния Е-цзнтра.

Спектр Si - РТ4. Этот спектр наблюдается после отжига облучённого бестигельного кремния при температурах. 250 - 300 °С. Спин центра S = I, максимальное расщепление линий, соответствующих переходам | + 1>-*»10> и составляет 1047 Э , значение д. -фактора 'при K0il <III> равно, 2.003Д].001. Сверхтонкой структуры.не наблвдэлось.

Спектр SL - РТ5. Спектр обнаружен ь чкетчх енсоу.осмных кристаллах бестигелького кремния после облучения электронами с достаточно большой дозой облучения, порядка IQ*8 е/сг<£. После облучения образцы обладали достаточно высоксч 'фот ©чувствительностью, что позволило применить методику регистрации спектров ЭПР по изменению микроволновой фотопроводимости.

При К0II <Ш> спектр Si ~ состоит из двух линяй с расщеплением ш,7 Э. При отклонения Н0 от направления <III> наблюдается расщепление какдой из линий. Исследован:: угловой зависимости положения линий в пределах 1 30° от оса <£!!?■ , где нгалпдается спектр Si - РТ5, показало, что симметрия' этого .центра совладает с симметрией спектра Э.ПР SL - О- 7 для отрицательно заряженной да вакансии. В спектре Si - РТ5 каолядагтея также линиг сверхтонкой структуры, обусловленные вэ&имодчйсгьа-ем с двумя атомами кремния.

На основай!2£ провадсянкхисследошкий этого спектра сделан вывод, что он зознзс(ает от возбуждённого TpaxieTHorv состсяняч нейтральной диврканеш.

• Пятая глава посвящена исследованию возможности р&п:стра-цяи спектров ЭПР в облучённые кремниевых р-н-переходах. Списаны результаты экспериментов по региограции парамагнитных центров рекомбинация при оптическом возбуждения и при ишеекции неосновных носителей без освещения по изм?лепиг тока через р-п-переходы.

, В заключении суммированы основные вызсды и результаты диссертационной работы, которые состоят в следу .таем:

Т. Показано, что спил-зависимая рекомбинация в облучённом кремнии происходит с участием возбуждённых триплетник состояний радиационных дефектов.

Была рассмотрена кинетика рекомбинации фотовозбуждённых носителей с учётом различных зарядовых состояний рекомбинацион-ных цоктров и различных спиновых состоянии этих центров в возбуждённом триплетном состоянии. Установлена связь между изменением концентрации фотовозбу.денных носителей и изменением насе-лённостей шпштних подуровней возбуждённых тркплетных состояний дефектов.

Экспериментально изменение концентрации фотовс "бувдённых носителей при возбуждении магнитного резонанса в систем? магнитных подуровней триллетнш; центров можно регистрировать как но изменению фототока через кристалл, тгк и по изменению добротности резонатора ЭЛР спектрометра за счёт помещения Е-ком-поненты поля свободными фотовоэбуэдённыма носителям;!. Показано, что в последнем случае чувствительность регистрации спектров ЭПР парамагнитных центров рекомбинации на четыре порядка выше, чем в обычном методе ЭПР.

2. Разработана более чувствительная методика регистрации спектров ЭПР в облученном кремнии, позволяющая изучать парамагнитные центры рекомбинации при таких малых дозах облучения, когда концентрация введённых облучением радиационных /.: ¿фактов находятся на уровне Ю10 - Ю13 см-3 .

Установлена пределы ьрюдзнимости этой методики и у елопая, налагаемое на параметры облучённых кристаллов, на дозы облучения, •на интенсивность света для достижения максимальной чувствительности метода. Эти параметры должны выбираться таким образом, чтобы образцы обладали бы регистрируемой фоточувствительностыо.

Применение предложенной методики позволило обнаружить ряд новых спек.ров ЭПР в облучённом кремнии, возникающих от возбуждённых триплетнюг состояний различных радиационных дефектов.

Установлено, что-в состав дефекта, ответственного за спектр Se - PTI, входят один междуузельный атом кремния.-Предложена модель этого дефекта.

Установлено, что новый спектр Si- РТЗ принадлежи? возбуждённому триплетному состоянию Е-г.ентра.

На основании анализа спектра /St - РТ5 сделан вывод, что он связан с возбуждённым триплетным состоянием диваканоии.

4. Обнаружено изменение фотопроводимости облученного кремни., имеющее зид узкой линии, при сканировании магнитного паля через нулевое значение.

Изменение фотопроводимости облучённого кремния найлндалесь также в слабых магнитных, полях при значениях, соответствукнчх точкам антшересечения магнитных подуровней триплетннх ьентров не только при направлении магнитного поля вдоль главной осп симметрии дефекта, но и при перпевдикулярном ей направлении, когда пересечение уровней связано с отличием от нуля параметра Е триплетных центров.

Показано, что путём регистрации изменения фотопроводимости облучённого кремния в слабых магнитных палях по положению klOikv-дающпхея линий, связанных о антипергеечениех: уровней. мокко проводить идентификацию центров, участвущих в рекомбинации.

5. Обнаружено изменение фототока через облучённые р-п-переходы при возбуждении магаитногс резонанса в возбуждённых триплетшк состояниях радиационных дефектов. Изменение фотопроводимости р-п-перехедов наблюдается такта в нулевом магнитном поло и в точках антипересечения магнитных подуровней гриплегных центров. Более интенсивные даме нения фототока набдшак/гся прч включении диодов в прямом направлении.

6. При включения диодов в прямом направлении все эффекты егьш-завиоимой рекомбинации наблюдают of и в отсутствие свата. Показано, что при ялкеадпх неосновных носителей радиационные дэфех-ты могут находиться в возбужденных триплетных состояниях.

Эксперименты, проведенные с облученными р-п-переходам!, показывают возможность регистрации в к;ос спектров ЭП? рекомСяня-ционных центров, что открывает новые возможности УДР сп^ктроско-

пик и.связанных с ней методов для исследования готовых, лалупро-водагеоъж приборов, определения состава и проведения идентификации дефектов в них при малой концентрации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следуювдх работах:

1. Л.С.Власенко, М.П.Вяасенко, В.М.Рожков. "Оптическая перезарядка и ЭПР радиационных дефектов е кремнии", Оптика и спектроскопия, ÏS02, т.52, вып.5, с. 942-945.

2. Н.Т.Баграев, Л.С.Власенко, М.П.Вяасенко, B.M.Fostob. "Оптическая поляризация ядер и ЭПР в облучённом кремнии", Известия АН СССР, с-ерич Физическая, 1982, т.4б,'№3, о. 47Б-479.

3. Л.С.Власенко, М.П.Власенко, В.А.Храмцов. "Аниз^ропия оптической поляризации ядер и Эх1Р в облучённом кремнии", Пис^ш в ЕГФ, 1984, т.10, вып.24, с. IE29-I533.

4. Л.С.Власенко, М.П.Власенко, В.А.Храмцов. "Спин-зависимые еффвкты, обусловленные тришгетнымя центрами в полупроводниках",

// Современные методы ЯМР и ЭПР в химии твёрдого тела, Черноголовка, IJ85 г., о. 201-204.

5. Л.С.Власенко, М.П.Еласенко, В.А.Храмцов, В.НЛомасов. "Сиия-зависимыо явления,, обусловленные триплетными центраш в облучённом кремнии", КЭТФ, 1986, .т.91, выл.З, с. 1037-1049.

6., Л.С.Власенко, М.П.Власенко, В.А.Храмцов. "Спик-зависимые япленил, обусловленные триплетными центраш в полупроводниках", Известия АН СССР,- серия Физическая, 1986, т.50, J6 2, с.239-242.

7. V.A.ICk vcunteov, V.li.Lotaasov, Ya.Ya.ïilkevich, M.P.Vlaaenko, • L.S.Vlasenico. "¿crumulation and Transformation of Radiation

Defectu in Silicon under Difforent Dooeo and Intenaities of Electron Irradiation

Нзуз. atat. coi., (a), 19S0, v. 109, pp. 127-134.

8. Л.С.Шасенко, М.П.Власенко, В.А.Храмцов. "0Д№ i опин-зави-синая рекомбинация в кристаллическом ойлучё.чном кремнии", Известия АН СССР, серия Физическая, 1988, т.52, Л 3, о. 441-444.

3 §1 рассматриваются физические и оптическно свойства суперионного проводника ИЬА^.^ - кристаллическая структура и ее изменения при ФП, природа ФП, данные по ионной проводимости, температурные зависимости теплоемкости и ширины запрещенной зоны. Показано, в частности, что этот супврионик является прямозонным материалом с шириной запрещенной зоны ~ 3,2 эВ. Вместе с тем, форма края поглощения и ее температурная зависимость практически не исследовались. Показано также, что на природу ФП а-р в этом соединении имеется различные точки зрония.

В §2 рассматриваются оптические свойства \'02 и окиснована-диевых структур на ее основе. Показано, что механизм работы окиснованадиевых пленок при модуляции световых пучков основан на взаимодействии падающего излучения с участками пленки, находящимися в состоянии до и после ФП металл - полупроводник (который происходит в этих соединениях при температурах БСн70'С), что и приводит к модуляции света. В связи с этим информация о таких оптических параметрах пленки, как показатель преломления, коэффициент экстинкции й толщина, и их изменении при ФП является весьма важной для применений в оптоэлектронике. Приводится также сравнение результатов определения оптических констант окиснованадиевых пленок, полученных ранее, и делается вывод о том, что, хотя оптические свойства двуокиси ванадия исследованы достаточно подробно, они не соответствуют параметрам ОВП, технические применения которых сдерживаются отсутствием достоверных данных об их оптичесгага параметрах, их изменении при ФП и их зависимости от технологии изготовления. Это, в свою очередь, требует достаточно точного и простого метода определения оптических параметров окиснованадиевых структур в широком спектральном диапазоно.

Рассмотрение таких методов, проведенное в §3 обзора, показывает, что оптимальный для окяснованадиевих планок метод должен основываться на измерениях их отражательной способности при наклонном падении поляризованного света. При этом необходимо одновременно определять и тс,о.;ину пленки.

В заключении глзеы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В главе 2 приводятся результаты исследований оптических свойств НЬА£!д.15 в области края собственного поглощения.

Во введении показывается, возможность определения ширины запрещенной зоны неупорядоченных материалов с размытым краем поглощения из спектральной зависимости эффекта Фарадея.

§1 содержит описание конкретных образцов, использовавшихся для измерений спектральных зависимостей оптической плотности и в Эдикта Фарадея в диапазоне длин волн 400+800 нм. Монокристаллы ПЬАв^ были выращены изотермическим методом из раствора А^ и 1Ш в ацетоне и имели величину ионной проводимости при 254 С ~ 0,30 (0м см)"1П].

В §2 описана экспершэнтальная установка для измерешя эффекта Оарадея. Для измерений была выбрана мостовая схема регистрации с призмой Волластона, что позволило компенсировать шумы, связанные с флуктуациями источника и усилителя. Величина угла поворота плоскости поляризации в магнитном поле (до 4х кЭ) отсчитывалась по лимбу поляризатора (призма Глана) в момент полной компенсации сигнала с точностью 0,1 град. Для аппроксимации спектральной зависимости эффекта Фзрадея было использовано выражение, описывающее вклад в втот эффект мекзон-ных переходоз £21. Полученные значения показателя преломления для длин волн 0,44 и 0,63 мкм. и ширина запрещенной зоны Е6 при комнатной температуре - (3,22±0,02) эВ удовлетворительно совпвдают о имеющимися данными. Это позволило использоевть их при расчете края поглощения и температурной зависимости Е^. При проведении низкотемпературных измерениях угла вращения плоскости поляризации в магнитном поло в НЬА#4.Т5 было обнаружено два эффекта, связанных с рассеянием света: малоугловое рассеяние, возникающее в момент перехода « ^ р (208К) и изменяющееся при дальнейшем понижении, температуры, и изменение картины рассеяния, наблюдающейся в момент ФП р ^ ] в виде спекл-структуры, при включении (выключении) магнитного поля. Эти эффекты подробно рассмотрены в 55 1,3 главы 3.

В §3 рассматриваются блок-схема экспериментальной установки, а также конструкция оптического криостата и системы стаби-лнзыти температуры, использовавшихся для проведения измерений

спектров оптической плотности л позволявших поддерживать температуру образца с точностью 0,1 К в интервале температур 80+ЗБ0К. Эти измерения проводились на спектрофотометре "Зресогй ЦУ-УТБ" в диапазоне длин волн 0.377-0,8 мкм.

В §4 излетана методика расчета спектров' поглощения ЛЬА^д^--Вычисление коэффициента поглощения проводилось с учетом многократного отражения света от граней образца и рэлеевского рассеяния света в его объеме. Предполагалось, что в общем случае вызываемый рассеянием коэффициент эксктинкции зависит от длины волны по эмпирической формуле: а =а+оЛ.4. Поэтому считалось, что полученный экспсрименталышй спектр состоит из двух частей и для выделения рассеяния линС*ннй (в координатах X."4) участок, соответствующий рэлоевскому рассеянию, экстраполировался в коротковолновую область и значения а ~1А4 на этом участке вычитались из экспериментальных значений ааксп_.

В §5 приводятся полученные результаты. На рис.1 приведет спектральные зависимости коэффициента поглощения в полулогарифмическом масштабе, рассчитанные по этой методика. Для всех температур, при которых проводились измерения, как в а-фазе, так и (3-й 7~фамх они хорошо аппроксимируются прямыми. С уменьшением температуры крутизна края увеличиваэтея и он сдвигается в коротковолновую область.

Аппроксимация зависимостей, показанных на рис.1, экспоненциальной функцией приводит к правилу Урбаха ГЗ]:

а = о^ехрЫЕ - М/ И] , (О

где а - предэкспоненциальшй множитель, зависимость которого от КТ слабо ьлииот на вели'Ш'у а; IV- параметр, изменяющийся с

Рис. I.

температурой и не зависящий от частоты. При обсуадении полученных результатов делается вывод, что наблюдаемый урбаховский край поглощения в №Л£л».т5 связан не только с вкладом фононов (как эч?о было бы в достаточно совершенном кристалле), но и с разупорядочонностью катионной подрешетки серебра, которая усиливается с ростом Т. Следствие этого и может быть наблюдаемое с ростом температуры изменение формы и крутизны края поглощения.

Из-за отсутствия резкого края вопрос об экспериментальном определении ширины запрещенной зоны в неупорядоченном материале усложняется. Как правило, определение носит условный характер. Поэтому, учитывая значение Ез при комнатной температуре, рассчитанное из спектральной зависимости эффекта Фарадея (3,22 зВ), при построении температурной зависимости за ширину запрещенной зоны принималось значение энергии, при котором а~Ю5см"'1. Полученная при этом температурная зависимость Е^ и ее аппроксимация в а, р, и 7 фазах прямыми Е^Е^-аТ показана на рис.2. При обоих ФП обнаруживаются скачки ширины запрещенной

зоны: 0,013 эВ при пере] ходе и 0,009 эВ при

переходе а-»р с ошибкой не более 3055. Существо-« 3 вание скачков в зависи-

у ¡3 ос мости Ед(Т) может слу-

жить отражением того, что об? ФП являются переходами первого рода. .

Л

ы

3.2 ■

>ео гэо гоо ззо Дополнительные ЭКСПбрИ-

1» К

Рис.2-

ментальные факты, под-тверадащие это предпо-

ложение, рассматриваются в разделе 3.2.

В главе 3 исследуются эффекты рассеяния света и ФП а (3 в т>А8/5

§1 содержит описание изменений картины малоуглового рассеяния света, сопровождающей прохождение света через кристаллы КЬА£:д<Г5 после га охлаждении ниже 203К (рис.3 а - после СП а-»р (при ~200К), б- перед ФП р-»7 (при ~13СК)). Показано,

что это рассеяние связано с доменной структурой, которая скачкоосразно возникает при ФП а-(5 и претерпевает -обратимые изменения при изменении температуры кристалла, причем меняется не только размер доменов, но и их взаимная ориентация. Установлено, что эта перестройка но носит.временного характера и

Рис. 3.

зависит от тепловой истории образца. В кристаллах, испытавших незначительное число ФП а—» р—» 7, при понижении температуры распределение доменов вдоль трех выделенных направлен^ непрерывно меняется, а их средний размер по мере приближения к ФП р->т постепенно увеличивается в 2-3 раза, что приводят к изменению картины рассеяния. При ФП в 7-фэзу Ц22К) доменный рисунок исчезает, однако вид поверхности образца проецируется на экран в виде отдельных точек, не меняясь при дальнейшем охлаждении. 3 кристаллах, претерпевших большое число циклов переключения а—. 0—* 7, укрупнение доменов при охлаждении выражено более сильно, и, кроме того, в ряде случаев при охлаждении до температуры ~ 130К в доменной картине появляется субструктурэ, которая проявляется в картине рассеяния в виде системы дополнительных точных и светлым полос, ориентированных друг относительно другэ под углом '20° и размером примерно на порядок большие, чем исходные дсмены. Эта структура может сохраняться при переходе в 7-фпзу, при этом ее ейг увеличивается в два раза. Переход чорез температуру 2&ъК в таких образцах сопровождается, как правило, появлением трещин, число которкт уЕоличивзется при дальнейиих переходах а.—г 3. При отогреве

образца до комнатной температуры все изменения в кристалле качественно происходят в обратном порядке. При рассмотрении полученных результатов делаются выводы, что дометил структура, возникающая в р-фазе РЬА£Д.Т5, связана с упругими деформациями при искажении кристаллической структуры от кубической (сыйаза) к ромбоэдрической ф-фаза), а фазовый переход а—> ¡3 является переходом мартенситного типа. Субдоменная структура связывается с накоплением в кристалле дислокаций, а обратимое изменение размера доменов - с конкуренцией упругой и поверхностной составляющих свободной энергии кристалла Г4).

В §2 рассматриваются результаты измерений температурных зависимостей оптической плотности у теплоемкости монокристаллов 1№А£ДЛ5 в области ФП 208К. Обнаруженный при этих измерениях температурный гистерезис оптических свойств кристалла (оптической плотности), который отчетливо наблюдался в области ФП, является подтверждением того, что в ИЬАё^ при 208 К происходит ФП первого рода. Независимое доказательево такого вывода было получено при измерениях температурной зависимости теплоемкости в области ФП а—► р, которые проводились на дифференциально»; сканирующем калориметре СБСМ11 фирмы БКГАПАМ в режиме непрерывного изменения температуры (скорость изменения температуры равнялась 1 К/мин). Положения пиков теплоемкости на зависимостях Ср(Т), полученных при охлаждении (а—> р) и нагревании ф—> а), отличаются ~ на 3 К, что указывает на наличие температурного гистерезиса (рис.4). С учетом абсолютной погрешности из-' мерений, составлявшей ~ 1К, можно считать, что ширина этого гистерезиса теплоемкости при ФП переходе 208 К лекит в пределах 1 К < АТ < 3 К. Наличие столь уз1сих пиков в температурной зависимости теплоемкости (~2 К), а также

Ср,кал/г-к -а«-

-0.23

у*

Ср, кал/г-* 1йЗв

азе оъь " 032

200 2с5 210 215 Т,к Ри С.-1 .

факт существования температурного гистерезиса позволяют

утверждать, что ФП а—> р в является ФП первого рода. Из

кривых Ср(Т) оценена скрытая теплота этого перехода

ДН= /С (Т)(1Т. Она получилась равной 55 кал/моль для перехода Ат р

(3—кх и 72 кал/моль для перехода а—»р. Погрешность в определении абсолютной величины АН не превышала 30%.

В §3 рассматривается эффект влияния магнитного поля на рассеяние света мутными средами. В связи с тем, что температурный диапазон, в котором ньАз^ представляет собой мутную среду, очень узок ( 1К), в качестве объектов измерений использовались образцы, изготовленные из стекла с постоянной Верде 0,1-0,2 мин/см Э, а тагске ликвирующие стекла с величиной зе-родышей 0,6 икм и стопы из стеклянных пластин с матированными поверхностями.Интегральное пропускание образцов составляло 5-20^. В эксперименте измерялась интенсивность рассеянного света. Интегральная интенсивность принималась за характеристику мутности образца, а по интенсивности света в спеклах, измеренной при различных положениях поляризационных элементов, методом Стокса рассчитывались эллиптичность и азицут большо». полуоси эллипса поляризации света в спекле.

Основные экспериментальные результат этого раздела заключаются в следующем."

1. СЕет, рассеянный вперед мутной средой, создает спекл-структуру [&1 с экспоненциальной статистикой распределения интенсивности по отдельным спеклам, практически не зависящей от мутности.

2. При падэттк шгоскополяризоьанного, когерентного св?та но мутную срсду рассзяшдый Бпер?д свет полностью деполяризоваь интегрально, однако во всех точках спекл-структурн свет поляризован полностью, причем параметры, характеризующие состояние поляризации, меняются от течке к точке.

3. При помещении рассеивающего свет образца длиной Ь, характеризующегося постоянной Зорде а» ь могкктаое поле В, стекл-структура, создаваемая им в плоскости наслюдетм, полностью меняется. Соответственно меняется и параметры, характеризующие состояние поляризации света в стдгльннх тсиках

этой структуры, а также интенсивность рассеянного света б шк, изменение которой достигает 50™.

4. Изменение азимута поляризации в отдельных точках спекл-структуры при шслючении магнитного поля может значительно (в 2-3 раза) превышать угол поворота плоскости поляризации в том же поле и материале при отсутствии рассеяния (#>■»5 РЬ ).

В заключении формулируются основные результаты главы 3.

Б главе 4 изложена методика определешхя оптических параметров (комплексного показателя преломления и толщины) тонких окионованадивных пленок, нанесенных на "полубееконечний" металлический подслой, из угловых зависимоотей коэффициента отражения и приведены результаты, полученные по втой методике.

В 51 показано, что для определения оптических параметров окиснованадиевых пленок необходим метод, основанный на измерениях коэффициентов отражения (отражательной способности), как более простой с точки зрения техники измерений (по сравнению с вллипсометрическими) и, вместе с тем, обеспечивающий точность, достаточную для практических применений.

В §2 задача нахождения оптических параметров тонкой пленки сводится к миш лизации функционала вида:

Ф- { Др^.^.й.в^-^ екоп /Н* вкоя>]а/т},/а. (2)

где га - число измерений. Из (2) видно, что величина Ф представляет собой среднеквадратичную ошибку аппроксимации. Значения п^,,^ и й, минимизирующие функционал Ф, являются искомыми оптическими параметрами тонкой пленки при условии выполнения неравенства:

Ф(пг,к_,,(1) < е , . (3)

где е - ерэдаеквадратичная погрешность измерений.

Для минимизации функционала Ф был выбран метод прямого поиска [61, не требующий точного начального приближения и использующий при расчете только значение функции 1. Погрешность полученных параметров определялась численно как диапазон их значений, в котором выполняется неравенство (3). В большинстве случаев обоспечитались следугаде относительные погрешности определения параметров пленки из угловых зависимостей

коэффициентов отражения: Сп2< \% , < 5% и £!< 2%.

§3 содержит описание экспериментальной установки, в которой была использована двухлучевая схема с модуляцией как оперного, так и измерительного пучков. Относительная погрешность измерений не превышала 0,1% для всех углов падения.

В §4 приводятся результаты измерешм угловых зависимостей и определения оптических параметров для двух образцов окиснована-диевых слоев, обозначаемых как образец Ш и образец №2, которые были изготовлены различными способами. На рис.5 приведены температурные зависимости оптических постоянных п и к, полученные по описанной методике для образца №\, а в таблице изменения оптических констант образца Х2 при фазовом переходе.

Таблица

Оптические параметры окиснованадиевой пленки (образец №2)

параметры Длина волны нм

633 ' 1152

20 С 80 С 20 С 80 С

п 2,88+0,05 2,71±0,02 2,23±0,С1 1 ,43±0,С5

к 0,54±0,01 0,60±0,01 0,49+0,02 1,95±0,05

й (0,110+0,002 (0,180±0,005)Х

Показано, что рассчитанные из угловых зависимостей отражения температурные изменения показателя преломления при фазовом переходе хорошо совпадают как с данными по У0г, так и имеющимися оценками для окиснованадиевых слоев.

Для независимой проверки достоверности полученных результатов для образца были рассчитаны значения дифракционной эффективности в первом порядке дифракции для нанесенной на образец решетки, образованной чередованием областей б полупроводниковом и металлическом состояниях на длине волны X = 1152,3 им. Полученное значмш эффективности т) = 1,52й совпало со значением, экспериментально измеренным для образцов этой сер/л.

40-Л.; 632,8 им ва->-Н53.2нм

. 1 .

20

60 ВО Т°.С рис.5.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ перечислены основные результаты и выводы работы.

1. В ходе исследований суперионного проводника НЬА£ДЛ5 измерена спектральная зависимость эффекта Фарадея и путем ее аппроксимации определены ширина запрещенной зоны- этого суперионика при комнатной температуре - (3,22 ± 0,02) эВ и дисперсия показателя преломления в видимой области спектра. При температурах, меньших 208К (ФП а-р), обнаружено сильное малоугловое рассеяние, а при ФП р-т (121К) - полное рассеяние света, картина которого представляет собой спекл-структуру и изменяется в момент включения (выключения) магнитного поля, действующего на образец.

2. Проведены измерения спектров оптической плотности НЬА£д<1. в интервале томператур 350 - 80 К. Установлено, что край фундаментального поглощения этого суперионика имеет экспоненциальный характер и подчиняется правилу Урбаха. Определен характер изменения ширины запрещенной зоны ЕЬАйдЛ5 с температурой. Обнаружены скачки в этой зависимости при температурах фазовых переходов - 203К и 121К. •

3. Прь исследовании малоуглопого рассеяшя света монокристаллами РЬАд^ ь р- и 7-фазах обнаружена и иослодована доменная структура г етом соединешл, ьозшшаэдая при ФП а-р и

претерпевающая обратимые температурные изменения в диапазоне температур 203К - 80К. Потсазано твкке, что фазовый-переход при 203К в НЬА5 <1 является переходом мартеяситного типа.

4. В ходе исследований влияния капттного поля на картину рассеяния, проведенных на модельных образцах, обнэрунен эффект мезоскогшческого изменения оптической прозрачности мутных сред в магнитном поле и проведены статистические поляризационные измерения отдельных спеклов.

5. При исследованиях оптических свойств монокристаллов

в области СП а ^ р бил обнаружен гистерезис в температурной зависимости оптической плотности. Наличие температурного гистерезиса при этом переходе получило подтверждение при измерениях температурной зависимости теплоемкости, из которой били определены ширина гистерезиса и величина скрытой теплоты перехода. По совокупности проведенных исследований сделан еывод о том, что фазоЕый переход а р в этом соединении является переходом первого рода,

6. С целью определения оптических параметров образцов окисноевнвдиовых структур (комплексного показателя преломления и толщины) была реализована мэтодика их расчета из угловых зависимостей отношения коэффициентов отражения для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения, произведена оценка точности определяемых параметров и сформулированы вытекающие из нээ требования к схеме измерений, выполнены контрольные расчеты для различных структур.

7. Определены оптические постоянные образцов окиснаЕ&надиб-вых структур, изготовленных по различным технологиям, и их изменения при фазовом переходе для длин еоля 0,(53 мкм и 1,15 мкм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ ДИССЕРГАЩМ ОТРАЖЕНЫ 3 СЛЕДУШКХ РАБОТА}:

1. А.А.Гурьянов, Е.Я.Теруксв. "Оптические свойства окисл&кчого на воздухе ванадия"'. ЖТФ, 1980, т.50, 8Э2-395.

2. В.Н.Андреев, А.А.Гурьянов, Б.П.Захарченя, Ф.А.ЧудповСлиЯ. "Температурный гистерезис и скрытая теплота при фазоаок переходе 203К Е суперионном проводжачв Р.ЬА£ о..". Письмо в

ЖЭТФ, 1982, Т.36, В.З, с.61-63.

3. В.Н.Андреев, В.Г.Гсф{ман, А.А.Гурьянов, Ф.А.Чудновский. "Доменная структура ИЬАя^ ганке точки фазового перекода 208К." ФТТ, 1982, г.25, с.2636-2643.

4. В.II.Андреев, А.А.Гурьянов, Б.З.Спивак, Ф.А.Чудновский, Б.К.Шкловокий. "Мезоскопическке изменения оптической прозрачности мутных сред в магнитном поле". ФТТ, 1988, т.30, №9, с.2649-2652. '

Б. В.Н.Андреев, А.А.Гурьянов, П.М.Клингер, Ф.А.Чудновский. "Оптические свойства КЬАй4«Г5 в области края собственного поглощения". ФТТ, 1990, т.32, №7, с.2080-2086.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. А.К.Иванов-Шиц, В.С.Боровков, А.В.Мищенко, В.С.Гоффман. Электропроводность и фазоЕые переходы в твердом электролите т>Ав4.15. ДАН СССР, 1976, Т.228, » 6, с.1376-1379.

2. А.Г.Аронов, А.С.Иоселевич. Роль экситонов в дисперсионных эффектах в полупроводниках. ФТТ, 1978, т.20, в.9,

с.2615-262..

•3. В.Л.Бонч-Бруевич. Вопросы теории неупорядоченных полупроводников. УФН, 1983, т.140, N4, 583-637.

4. А.Л.Ройтбурд. Теория формирования гетерофазной структуры при фазовых превращениях в твердом состоянии. УФН, 1974, т.ИЗ, В.1, С.69-81.

5. М.Франсон. Оптика спеклов. М., Мир, 1980.

6. М.И.Агеев, В.П.Малик, Ю.И.Марков. Библиотека алгоритмов 1516-2000. М., Сов. радио, 1979.

РП1 ЛИЯ$,зак,203,тир.100,уч.-изд.л. 0,9:1/Ш-1Р^1г. Бесплатно