Горизонты научного поиска

Группой физикой ЛЯП и по их инициативе, с участием ученых Института Пауля Шеррера (Швейцария), Института Макса Планка (Германия) и МФТИ, ведутся экспериментальные исследования поведения акцепторных примесей в кремнии с помощью отрицательных мюонов. Результаты эксперимента были представлены 14 марта на лабораторном семинаре А. В. Стойковым. О сути этой научной проблемы рассказал корреспонденту нашей газеты Надежде Кавалеровой руководитель группы Т. Н. Мамедов.

Исследование примесей, нарушений и дефектов в полупроводниках является одним из актуальных направлений физики твердого тела. Одним из первых объектов этих исследований, начатых в 50-х годах, были кристаллы кремния и германия ввиду их широкого применения в электронике. Однако, несмотря на то, что исследования в кремнии, германии и других полупроводниках с кристаллической структурой алмаза ведутся в течение нескольких десятков лет, до сих пор отсутствуют четкие представления об основном состоянии мелких акцепторных центров в этих полупроводниках. Например, принято считать, что основное состояние мелкого акцептора в алмазоподобных полупроводниках четырехкратно вырождено. Этим обстоятельством объяснялись неудачные попытки наблюдать спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) акцепторных примесей в кремнии, тогда как донорные примеси в кремнии изучены достаточно подробно. ЭПР-метод позволил определить состояние электронной оболочки донорных примесей, изучено сверхтонкое взаимодействия электронной оболочки с магнитным моментом собственного ядра и ядер Si29, присутствующих в количестве около 4,5 процента в природном кремнии, и много других интересных явлений, связанных со взаимодействиями между примесными атомами при увеличении их относительной концентрации выше 10-6 от концентрации атомов кремния.

В своем эксперименте мы использовали mSR метод (вращение, релаксация, резонанс спина мюона). Физическая основа этого метода связана с явлением несохранения четности при p- m-e распаде. Благодаря несохранению четности в этом процессе, можно получать пучки поляризованных мюонов и следить за изменением поляризации имплантированных в среду мюонов во времени. Отрицательные мюоны в веществе после замедления захватываются атомами среды. Поскольку мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона, боровский радиус орбиты мюона в 207 раз меньше, чем радиус орбиты 1s электрона. Отрицательный мюон экранирует заряд ядра на единицу и электронная оболочка мюонного атома (атома с отрицательным мюоном в 1s состоянии) аналогична электронной оболочке атома с зарядом ядра, равным единице. Таким образом, в случае остановки мюона в кремнии, образовавшийся мюонный атом имитирует атом алюминия, который в кремнии является акцепторной примесью. Этим обстоятельством определяются предпосылки к тому, что отрицательные мюоны могут быть использованы для изучения акцепторных примесей в кремнии.

Однако, первые m-SR эксперименты в кремнии, выполненные еще в семидесятые годы в Дубне группой В. С. Евсеева в диапазоне температур от 77 K до 300 K, не давали основания надеяться на успех в исследованиях акцепторных примесей в полупроводниках с помощью данной методики. Лишь в начале девяностых годов эксперименты, проведенные в ОИЯИ и PSI (Швейцария) при более низких температурах и низком уровне фона показали, что продолжение поисков в данном направлении вполне обосновано. В экспериментах в Дубне были обнаружены релаксация и парамагнитный сдвиг частоты прецессии спина мюона в кремнии при температуре ниже 30 K. С уменьшением температуры скорость релаксации возрастала от 0.2 мкс-1 до примерно 30 мкс-1 при 4.2 K (последнее значение является верхним пределом, доступным к измерению, и определяется разрешением установки).

Постоянное сотрудничество с теоретиками из Московского физико-технического института (МФТИ) тоже дало свои плоды. Под руководством профессора В. Н. Горелкина были получены аналитические выражения, устанавливающие связь между величинами, непосредственно измеряемыми в m-SR эксперименте (скорость релаксации и частота прецессии спина мюона) и величинами, характеризующими состояние акцепторной примеси (магнитный момент электронной оболочки, константа сверхтонкого взаимодействия, скорость релаксации магнитного момента).

На семинаре мы доложили следующие результаты: эксперименты, проведенные в 1997-98 годах, позволили установить вид температурной зависимости скорости релаксации магнитного момента акцепторного центра в кремнии. Оказалось, что скорость релаксации зависит от температуры как T3 и существенно отличается от ожидаемой для идеального кристалла. Впервые была получена оценка константы сверхтонкого взаимодействия магнитных моментов ядра и электронной оболочки для мелкого акцептора, образованного атомом алюминия в кремнии. Константа сверхтонкого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату волновой функции дырки на ядре примесного атома и точное определение этой величины представляет интерес как для теории примесей в твердом теле, так и для прикладных целей.

Кремний уже приоткрыл исследователям многие из своих тайн, но полностью он не изучен, и загадок осталось еще немало. Мы планируем в будущем продолжить эксперименты, как в Дубне, так и в PSI. Они будут направлены на изучение зависимости скорости релаксации магнитного момента акцепторного центра в кремнии от типа и концентрации примесей, и на поиск условий, при которых возможно измерение константы сверхтонкого взаимодействия точнее, чем она определена в настоящее время.