раздел 2
ЭПР ДОНОРНЫХ СОСТОЯНИй АЗОТА В КАРБИДЕ КРЕМНИЯ
Введение
В главе представлены результаты исследований методом ВЧ/ВП ЭПР донорных
состояний азота в политипах карбида кремния.
Азот является основной неконтролируемой донорной примесью во всех политипах
карбида кремния. Примесь азота является элементом пятой группы периодической
системы и имеет пять валентных электронов, из которых четыре идут на
образование связей с окружающими атомами решетки, а пятый неспаренный электрон
является парамагнитным. Этот электрон движется в потенциальном поле (типа
кулоновского), создаваемом ядром донора, с которым электрон слабо связан. При
комнатной температуре доноры ионизованы, и электроны могут свободно двигаться
по кристаллу, а при низких температурах электрон связан с ядром донора.
Электронный спин донорного электрона равен S=1/2, ядерный спин основного
изотопа ядра азота N14 равен I=1. В результате в спектре ЭПР должно наблюдаться
(2I+1)=3 сверхтонких линий ЭПР, расстояние между которыми пропорционально СТВ
неспаренного электрона с ядром донора.
Подробное исследование донорных состояний азота в SiC методом ЭПР проводилось
на политипе 6H-SiC в работах Людвига и Вудбери и Вейнгера А.И. [7, 68]. Спектр
ЭПР, зарегистрированный на частоте n = 14 ГГц, представлял собой два плохо
разрешенных спектра, содержащих по три линии СТС от ядра азота 14N (I=1).
Различная интенсивность линий и разная степень анизотропии g-факторов двух
спектров позволили авторам приписать спектр с меньшей интенсивностью линий ЭПР
азоту в гексагональной позиции, а с большей - двум квазикубическим позициям
азота. Такая интерпретация спектра ЭПР азота считалась общепринятой до того
времени, пока спектр ЭПР азота не был исследован на частоте 140 ГГц.
В настоящей главе представлены результаты исследования донорных состояний
азота в трех политипах карбида кремния на частоте 140 ГГц, из которых следует,
что общепринятая интерпретация спектров ЭПР азота нуждается в пересмотре.
2.1. Спектры ЭПР азота и кристаллографически неэквивалентные позиции,
образуемые атомами азота в решетке политипов SiC [11*, 14,* 15*, 21*].
В этом параграфе рассматривается одна из общих задач для всех политипов SiC -
экспериментальное установление числа кристаллографически неэквивалентных
позиций, образуемых примесью азота в решетке политипов SiC методом ЭПР.
Известно, что в природе существует до 170 различных политипов карбида кремния.
Политипы это структуры, построенные из одних и тех же слоев атомов с разной
последовательностью их чередования. Параметры решетки у политипов в плоскости
слоя неизменны, а в направлении, перпендикулярном слоям, различны, но всегда
кратны расстоянию между ближайшими слоями.
Политипы характеризуются цифрой, указывающей число слоев в элементарной
ячейке, и буквой, выражающей тип ячейки: nН - означает структуру с n-слойным
периодом повторяемости вдоль оси с и примитивной гексагональной ячейкой, а nR -
структуру с n-слойным периодом повторяемости вдоль оси с и решеткой, у которой
примитивная ячейка ромбоэдрическая [69, 70].
Пространственные группы симметрии, к которым принадлежат кубический ,
гексагональные (P63mc) и ромбоэдрические (R3m) политипы карбида кремния, имеют
такие общие элементы симметрии, как три плоскости отражения, пересекающиеся по
оси упаковки с. Ось с является единственной осью симметрии для гексагональных и
ромбоэдрических политипов карбида кремния, в то время как в кубическом политипе
осью с служит любая из четырех осей <111>. Кроме того, пространственная группа
P63mc, содержит плоскость скольжения и винтовую ось шестого порядка.
Во всех политипах SiC межатомные расстояния одинаковы, атомы решетки имеют
ближайшее окружение тетраэдрическое, а отличаются ориентацией следующего
ближайшего окружения. Для идеальной гексагональной решетки справедливо
соотношение , где а- плоскостное расстояние до следующего ближайшего соседа в
плоскости, с - высота элементарной ячейки.
Это соотношение справедливо практически для всех исследуемых политипов SiC.
Так, например, для 4Н SiC, , для 6Н . На рис. 2.1. показан тетраэдр SiC
политипов, а параметры их решетки приведены в табл. 2.1.
Рис. 2.1. Тетраэдр SiC. а и с - параметры решетки.
Таблица 2.1
Параметры кристаллической решетки в политипах карбида кремния [70]
Пол.
Упаковка
Число позиций
Параметры решетки
Ширина З.З., эВ
куб./квазикуб.
гекс.
/Е
с/Е
(непрямой)
2H
AB
3.0763
5.0480
3.33
3С
ABC
4.3596
2.39
4Н
ABCB
3.073
10.053
3.26
6Н
ABCACB
3.08806
15.1173
3.08
15R
ABCACB
CABACA
BCB
2.99
Все политипы SiC содержат две кристаллографически эквивалентные подрешетки,
одна из которых образована атомами кремния Si, а другая - атомами углерода С.
Каждый атом Si (или С) окружен четырьмя атомами С (или Si) и связан с ними
направленными тетраэдрическими sp3 связями.
Гексагональная модификация (a-SiC) существует в виде большого числа политипов,
решетки которых отличаются друг от друга порядком чередования кубической "к" и
гексагональной "г" плотных упаковок вдоль оси с. На рис. 2.2 показаны решетки
6Н и 4Н политипов SiC. На рис. 2.3 показана последовательность укладки слоев
для гексагональной и кубической плотноупакованной структуры.
В случае гексагональной упаковки атом второго слоя располагается над пустотой
первого, а пустоты второго слоя над атомом первого слоя.
Таким образом, в упаковке не имеется сплошных каналов пустот и они называются
тетраэдрическими Т. Пустота в обоих слоях окружена четырьмя атомами, центры
которых образуют правильный тетраэдр.
Для обозначения упаковки любого количества слоев достаточно трех букв АВС.
Гексагональная упаковк