РАЗДЕЛ 2
ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В СПИНОВЫХ СИСТЕМАХ И НОСИТЕЛЬ-ПРИМЕСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КРЕМНИИ
В предыдущей главе были рассмотрены кинетика накопления и динамика спиновой системы для относительно простого случая ПЦ, которые при Т>0 локализованы, а эффекты делокализации проявляются с ростом Т как следствие термически активированных прыжков электронов. В настоящем разделе мы рассмотрим динамику взаимодействия двух спиновых подсистем, одна из которых обусловлена локализованными ПЦ, а другая - делокализованными (фотовозбужденные носители). Это типичная ситуация носитель-примесного взаимодействия, которое является ключевым для понимания спин-зависящих взаимодействий в полупроводниках и играет важную роль в формировании электрических свойств п/п материалов и структур [86-96].
Особенностью данного исследования является подход с точки зрения подсистемы локализованных ПЦ, состояния которых являются определяющими для реализации того или иного механизма СЗНПВ, и которые прямо наблюдаются в реализованной методике, в отличие от большинства работ по СЗНПВ, где о состоянии системы локальных центров судят косвенно по результатам ее влияния на подсистему носителей тока.
2.1. Исследования НПВ методами радиоспектроскопии
Магниторезонансные методы являются одними из наиболее информативных в изучении электронных состояний примесей и дефектов в твердых телах. Это относится не только к локализованным центрам, но и к "движущимся", т.е. полностью или частично делокализованным ПЦ, например, электронам проводимости (ЭП) в полупроводниках и металлах, свободным радикалам в твердых телах, оптически возбужденным метастабильным состояниям в диэлектриках и полупроводниках и т.д. В последнем случае речь может идти о локализованных, но короткоживущих парамагнитных состояниях.
Задача описания таких объектов включает в себя как изучение свойств спиновых подсистем локализованных и делокализованных состояний, так и характера взаимодействия между ними. В качестве примера можно привести работы по исследованию эффектов подмагничивания (типа гигантского спинового эха) в A2B6 [88], механизмов взаимодействия электронных и ядерных спиновых систем в присутствии свободных носителей [89-91] или исследований спин -зависящих явлений переноса [92-96]. Так, в [93] показано, что в силу закона сохранения углового момента захват носителя на парамагнитный центр всегда является спин-зависящим, что, например, приводит к скорости спин-зависящей рекомбинации ? -1=?0-1(1-Pe PПЦ), где Pe и PПЦ - поляризации фотоносителей и локализованных ПЦ, которые в определенных условиях могут сильно отличаться от равновесных значений.
В данной главе разрабатывается другая сторона этой проблемы - влияние спин-зависящих носитель-примесных взаимодействий на динамику парамагнитных спиновых систем. Выбор объекта исследований - монокристаллического кремния - обусловлен как огромным разнообразием проявляемых свойств, делающих кремний "модельным" объектом физики полупроводников, так и высоким уровнем технологии и широчайшими масштабами его применения в современной электронной технике. Исследования динамики спиновых систем и СЗ НПВ в полупроводниках обнаруживают тесную связь релаксационных процессов в системе локальных центров с процессами электронно-дырочной рекомбинации и термической ионизации донорных (акцепторных) центров [93, 95, 97]). НПВ в значительной степени определяют эффективность современных методов оптического [98] и электрического [97, 99-101] детектирования магнитных резонансов, электродипольного спинового резонанса и др. Они также приводят к появлению новых механизмов спиновой релаксации за счет процессов обменного рассеяния (ОР) носителей на нейтральных парамагнитных центрах (ПЦ) [102-103]. Впервые влияние ОР на спиновую релаксацию ПЦ было изучено в [102]. Было обнаружено, что в присутствии фотовозбужденных носителей тока спиновая релаксация ПЦ фосфора значительно ускоряется. Это ускорение было объяснено на основе механизма обменного рассеяния с переворотом спина ЭП на ПЦ фосфора. Сравнение эксперимента с теорией [103] позволило определить сечение ОР фосфора ?P ? 2?10-12 см2. В [104] эти идеи были развиты и распространены на случай глубоких нейтральных центров. Была записана система кинетических уравнений, описывающая процессы обмена энергией между спин-системами, решеткой и кинетическими степенями свободы электронов:
(2.1)
(2.2)
где ?(?) - обратная температура, характеризующая неоднородно уширенную линию ЭПР с формфактором ?(?); ?e, ?k, ?L - обратные температуры спин-системы ЭП, их кинетических степеней свободы и решетки, соответственно; U - вероятность ОР, ? - время рекомбинации ЭП, ?s, ?1 - времена спиновой релаксации ЭП и ПЦ, соответственно. Решения этой системы для ?(?,t) в случае ?1 > ? имеют вид:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
Из (2.3) легко получить, что восстановление полной намагниченности (пропорциональной ) описывается простым экспоненциальным законом со скоростью ?1-1+(?1*)-1, где ?1* определяет степень влияния ЭП на спиновую релаксацию системы ПЦ как целого. Видно также, что в присутствии ЭП происходит также выравнивание спиновой температуры вдоль линии ЭПР со скоростью nU без передачи энергии в решетку. Этот процесс представляет собой стимулированную ЭП спектральную диффузию, обусловленную двойным ОР ЭП на ПЦ. В одном акте ОР электроны получают спиновую энергию от центров, принадлежащих насыщенному участку линии ЭПР, а в другом акте обмена отдают эту энергию ненасыщенным ПЦ (Рис. 2.1). При условии насыщения небольшого участка неоднородно уширенной линии из (2.3) легко получить:
(?d*)-1 ? nU +?d-1, (2.6)
где ?d-1 - скорость заплывания дыры без подсветки. Полагая U=(3/2)?FeV [105], из сравнения (2.6) с экспериментом в [104] определено ?Fe ? 6?10-15 см2 при Т = 4,2 К.
Т.о., к моменту начала данной работы важная роль процессов ОР в динамике спиновых систем была установлена как для мелких, так и для глубоких центров в полупроводниках. В то же время роль процессов захвата носителей тока, могущих доми
- Київ+380960830922