Elektronen paramagnetische resonantie onderzoek van defecten in germanium

Groep: DiSC en  EMR

Promotor: Prof. Henk Vrielinck, Prof. Freddy Callens

Begeleiding: Johan LauwaertProf. Henk Vrielinck

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Kernwoorden:

Zeeman-effect, hyperfijninteracties, EPR, paramagnetische defecten

Probleemstelling:

Bij de studie van puntdefecten in silicium (Si), zoals bijvoorbeeld geïntroduceerd door bestraling, implantatie, mechanische of thermische behandelingen, enz. heeft elektronen paramagnetische resonantie (EPR) spectroscopie een cruciale rol gespeeld. Deze spectroscopische techniek is gebaseerd op het Zeeman-effect : in een extern magnetisch veld worden de energieniveaus in de grondtoestand van een systeem met ongepaarde elektronen opgesplitst, en tussen deze niveaus worden met microgolven magnetische dipoolovergangen geïnduceerd. Voor een paramagnetisch defect in een vaste stof is de opsplitsing van de energieniveaus niet enkel afhankelijk van de grootte van het magneetveld, maar ook van diens richting. Hieruit kan op zeer nauwkeurige wijze de symmetrie van het defect worden afgeleid, en op basis van hyperfijninteracties tussen de ongepaarde elektronen en naburige kernspins kan verdere structuurinformatie worden verkregen. Voor Ge is de kennis van de structuur van paramagnetische defecten echter nog veel beperkter.

Conventionele EPR is een bulktechniek en daarom minder geschikt voor de studie van micro- en nanostructuren in moderne halfgeleidercomponenten. Dit is in de eerste plaats zo omwille van de beperkte gevoeligheid, maar daarnaast ook omdat alle paramagnetische defecten in het sample gemeten worden, en niet alleen die in de micro- of nanolaag die men in het bijzonder wil bestuderen. Hieraan kan worden verholpen door EPR elektrisch te detecteren, dit wil zeggen dat veranderingen in de spintoestand worden gemeten via hun invloed op de (foto)geleidbaarheid van het sample. Dit fenomeen wordt ook spinafhankelijke recombinatie genoemd.

Doelstelling:

In dit thesisonderwerp zal de structuur van defecten in Ge met behulp van EPR worden onderzocht. De studie zal zich vooreerst richten op thermische donors : donors die in zuurstofrijke Ge kristallen worden ingegroeid bij thermische behandeling. Aan de hand van multifrequente EPR experimenten (in de X (9.5 GHz) en Q (35 GHz) in Gent en mogelijks ook in de W (95 GHz) band aan de Universiteit Antwerpen) hopen we een aantal totnogtoe onopgehelderde problemen omtrent de (effectieve) spin van deze donors te kunnen oplossen. Dit biedt mogelijks de sleutel tot de interpretatie van structuur van deze paramagnetische defecten. In een verder stadium zullen ook acceptordefecten in thermisch gequenchte Ge kristallen aan bod komen. Voor samples met lage concentraties aan defecten kan elektrische detectie via spinafhankelijke recombinatie mogelijks een uitweg bieden. De opstelling hiervoor is nog in ontwikkeling en afhankelijk van de interesse kan de thesisstudent hieraan bijdragen. Bij de theoretische interpretatie van de spectra komen aspecten van atoom- en molecuulfysica, symmetriegroepen en zo gewenst ook moleculaire modellering aan bod.