Введение к работе
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 свободньк 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.
Целью диссертационной работы ставилось:
-
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.
-
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 магнятоспектроскошш 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 фототермоионизагшонннми механизмом) упрощает подбор оптимальной температуры эксперимента. Полученные при выполнении работы результаты использовались для анализа состава остаточных пригосей в особо чистом германии в рамках работ по созданию детекторов ядерных излучений, выполняемых в ГЙРЕДМЕТе, 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 голе 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 поле вырождения состояния по проекции момента количества движения Z- ^/% . Научная новизна работы состоит в следующих 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-вй группы в германии, обусловленная Зеемановскши расщеплением состояния Пд+;
- определены численные значения g -факторов и коэффициентов
при квадратичных по магнитному полю членах Гамильтониана.
На защиту выносится:
-
Установление энергетического спектра резонансных состояний мелких доноров Li , Р , -Е> ( ls , О ) -& ( и ,о ) в особо чистом ( Л -МА = I01 - 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 L III3 ) Определение полного набора квантовых чисел, характеризующих зарегистрированные состояния в пределе сильного магнитного поля.
-
Установление энергетического спектра резонансных состояний мелких акцепторов 3-ей группы в особо чистом германии (Ад--Ае ID10 - 10 * см ) 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.
-
Обнаружение структуры линий переходов в резонансные состояния акцепторов, обусловленной расщеплением основного (ІГд") состояния из-за снятия в магнитном поле четырехкратного вырождения по проекции момента J = а/а. , и определение численных значений ^ -факторов (,<%\= -0,117*0,014, ^^ =
= 0,097*0,007) и коэффициентов перед квадратичными по полю членами Гамильтониана состояния Пд+ ( я = (0,84*0,13) мкэВ/Ъг2, а = -(0,16*0,13) мкэВ/Гл2).
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на ХП Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г. Киев, 1990), на ІУ Международной конференций 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.
