Электронная структура и спиновые свойства дефектов в широкозонных полупроводниках: нитриде алюминия и карбиде кремния

• Автор: Солтамов, Виктор Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Содержание
Введение
I. Исследования свойств собственных и примесных дефектов в широкозонных полупроводниках (AIN, SiC) радиоспектроскопическими и оптическими методами
1.1 Мелкие доноры в нитриде алюминия
1.2 ЭПР и ОДМР собственных и примесных дефектов в A1N
1.3 Редкоземельные элементы в A1N
1.3 Донорные уровни и центры рекомбинации: оптические методы и термолюминесценция
1.5 Вакансии углерода и кремния в SiC
II. Приготовление образцов и методики эксперимента
2.1 Приготовление образцов
2.1.1 Образцы A1N
2.1.2 Образцы 4Н- и бЯ-SiC
2.2 Методика эксперимента
2.2.1 Спектрометр ОДМР
2.2.2 Спектрометр ЭПР
2.2.3 Методика электронного спинового эха
2.2.5 Методика время-разрешенного ЭПР
III. Мелкие доноры в A1N
3.1 Мелкие доноры в AIN, подверженные DX- релаксации
3.2 Мелкие доноры в A1N, не подверженные DX- релаксации
3.3 Анализ свойств волновых функций доноров в A1N
IV. Центры окраски в AIN
4.1 Исследование центров окраски в A1N методом ЭПР и ДЭЯР
4.2. Исследование влияния центров на оптические свойства A1N
4.3 Глубина залегания донорного уровня V,!j в запрещенной зоне A1N
4.4. Спин зависимые каналы люминесценции и дивакансионные дефекты в A1N
V. ЭПР переходных элементов Fe, Cr, Ni в AIN
5.1. Fe2+BA1N
5.2. №3+ и Сгъ+ в AIN
VI. Инверсная населенность основного состояния вакансии кремния в 4Н-SiC и 6Н-
SiC при комнатной температуре
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников
Список публикаций автора по теме диссертации

Введение
Широкозонные полупроводники типа нитридов III—V групп (GaN, AlGaN и AIN) [I] являются наиболее перспективными материалами для создания светодиодов и лазерных диодов, работающих в ультрафиолетовой области. Нитрид алюминия (AIN) - прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны порядка 6.0 эВ при комнатной температуре. Кристаллы InN, GaN и AIN со структурой вюртцита образуют непрерывный ряд смешанных соединений с шириной запрещенной зоны изменяющейся от 0.7 эВ до 6.0 эВ, то есть, на основе этих соединений могут быть созданы оптические приборы, работающие на длинах волн, изменяющихся от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов [2]. A1N так же представляет большой интерес для применений в приборах, работающих при повышенных температурах и мощностях.
Номинально чистые кристаллы AIN проявляют проводимость п типа, однако, характеризуются высоким электрическим сопротивлением, что свидетельствует о наличии дефектов с глубокими уровнями, которые компенсируют или ионизируют мелкие доноры [3]. Выяснение природы дефектов и глубины залегания их уровней в запрещенной зоне, их влияния на оптические характеристики A1N является чрезвычайно важной задачей современных исследований.
Кроме дефектов с глубокими уровнями на проводимость AIN может влиять такое физическое явление как самокомпенсация мелких доноров [4], [5] в результате, так называемой, DX- релаксации [6]. Этот процесс обусловлен переносом электрона между соседними донорами, в результате которого один из доноров ионизируется, а второй захватывает дополнительный электрон, что вызывает локальную релаксацию решетки, приводящую к состоянию с глубоким энергетическим уровнем. Поэтому, для создания эффективного л-типа легирования, необходимо найти такие донорные примеси, которые не подвержены эффектам самокомпенсации и являются активными при комнатных температурах. Не менее важная задача - идентифицировать донорные примеси, которые подвержены ДУ-релаксации.
На сегодняшний день одним из основных направлений развития, как фундаментальных основ спектроскопии одиночных квантовых объектов, так и элементной базы квантовой оптики, квантовых вычислений и магнитометрии, является азотно-вакансионный дефект в алмазе - NV дефект. На одиночном NV дефекте осуществлена регистрация магнитного резонанса при комнатных температурах, благодаря существованию механизма оптического выстраивания

спиновых подуровней для триплетного основного состояния дефекта. На основе одиночного NV дефекта было продемонстрировано успешное создание магнитометра с наноразмерным пространственным разрешением [7], связанной пары кубитов (прототип квантового компьютера) [8], источника одиночных фотонов [9], спинового зонда для биологических исследований.
Однако NV дефекты в алмазе имеют ряд недостатков, наиболее характерными из которых является не достаточная технологичность алмазных полупроводниковых материалов, оптический диапазон возбуждения и люминесценции далекий от полосы прозрачности современной волоконной оптики, отсутствие возможности варьирования длины волны излучения, а также фиксироваиность микроволновой частоты в гигагерцовом диапазоне. Дополнительные трудности возникают из-за примесного характера дефекта и наличия ядерного спина азота в NV дефекте, что ухудшает релаксационные свойства системы.
Поэтому, на сегодняшний день ведется активный поиск систем, аналогичных по своим свойствам NV дефекту в алмазе, но не обладающих его недостатками. В работах [10], [11] было показано, что ряд дефектов в карбиде кремния (SiC) может не только сравниться, но и превзойти по своим свойствам NV дефекты в алмазе. Теоретически было показано [12], что триплетные центры в SiC - достойные конкуренты NV дефекту в алмазе и потенциально могут сохранять оптическую поляризацию спиновых подуровней при комнатной температуре. Впервые инверсная населенность в SiC наблюдалась в работе [13] при низких температурах. В работе [11] удалось наблюдать оптически индуцированную инверсную населенность на вакансии кремния вплоть до 250 К. В недавней работе [14] впервые была продемонстрирована возможность оптического возбуждения и когерентного контроля населенностей спиновых подуровней основного состояния дивакансии углерод-кремний в температурном диапазоне от 20 до 200 К, а также возможность когерентного контроля населенностей спиновых подуровней не идентифицированного дефекта при комнатной температуре.
Вышесказанное определяет основные направления настоящей работы. Первая часть работы сконцентрирована на экспериментальных исследованиях собственных и примесных дефектов в объемных кристаллах AIN методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), высокочастотного электронного спинового эха (ЭСЭ), двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР), оптически-детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), термолюминесценции, оптического поглощения. Вторая часть работы посвящена обнаружению и изучению оптически-

2.2.3 Методика электронного спинового эха
Регистрация электронного парамагнитного резонанса в импульсном режиме (электронное спиновое эхо) проводилось в диапазоне температур от 5 до 20 К на спектрометре ВШЖЕ11 Е1ехзуз 680, работающем на частоте 94 ГГц (¥-диапазон). Большим преимуществом работы на такой высокой частоте является высокое спектральное разрешение.
Суть ЭСЭ состоит в следующем. На образец, содержащий магнитные частицы и находящийся в постоянном магнитном поле Во, подается серия кратковременных импульсов переменного магнитного поля В, осциллирующего с частотой магнитного резонанса соо- Если соответствующим образом подобрать амплитуду и длительность импульсов, то после их действия на образец, приемник зарегистрирует сигнал эмиссии в виде дополнительного импульса, являющегося сигналом спинового эха. В методе спинового эха, так же как и в стационарном ЭПР, поле В лежит в плоскости перпендикулярной к Во. Измерительная ячейка приемника, регистрирующая сигнал спинового эха, устроена таким образом, что реагирует только на составляющую переменного электромагнитного поля, лежащую в плоскости, перпендикулярной к Во. В наиболее простом варианте метода ЭСЭ, реализуемом в исследованиях, приведенных в диссертационной работе, на образец, помешенный в резонатор спектрометра, воздействуют двумя СВЧ-импульсами (первичное спиновое эхо), разделенными интервалом времени т. Напряженность постоянного магнитного поля Во подбирается таким образом, чтобы выполнялось условие электронного парамагнитного резонанса Во= Юо/уе (уе- гиромагнитное отношение для электрона), и в момент времени 1= 2т приемник регистрирует сигнал ЭСЭ. Амплитуда сигнала ЭСЭ монотонно уменьшается с ростом интервала между формирующими эхо СВЧ-импульсами. Спад сигнала ЭСЭ обусловлен процессами магнитной релаксации, на Рис.6 приведена модель формирования сигнала первичного ЭСЭ.
Рисунок 6. Схема формирования первичного ЭСЭ.