Untersuchungen an Elektronen-Donatoren in Halbleitern mit Hilfe der Overhauser-Spektroskopie

Abstract

Ziel der Arbeit war die Untersuchung von Elektronen-Donatoren in hoch dotierten Halbleitern mit Hilfe der Overhausertechnik, einer Radiowellen- Mikrowellen-Doppelresonanz Technik. Bis heute waren solche Untersuchungen mit Hilfe der Overhauser-Technik oder mit NMR-Techniken nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich. Die elektronischen Eigenschaften von hoch dotierten Halbleitern werden hauptsächlich durch das zusätzliche Elektron des Donators bestimmt. Sowohl für die Verbesserung der elektronischen Eigenschaften dieser Materialien als auch für die Realisierung von Ideen aus der Spintronik oder des Quanten-Computings sind daher die Eigenschaften des Donatorkerns von hoher Bedeutung. In dieser Arbeit wird gezeigt, welche Voraussetzungen die Messtechnik für diese Art der Messungen erfüllen muss. Besonderen Wert wird dabei auf das Design der Probenhalter gelegt. Es konnten in den Materialien Phosphor dotiertes Silizium, Stickstoff dotiertes Siliziumkarbid und Gallium dotiertes Zinkoxid Spektren der Donatorkerne gemessen werden. Allerdings konnte das Signal der Stickstoffkerne aufgrund des schlechten Signal zu Rausch Verhältnisses nicht genauer untersucht werden. Das Signal der Phosphorkerne wird jedoch eingehend untersucht. Es zeigt sich, dass es durch eine Verteilung der Phoshorkerne auf verschiedene Resonanzpositionen zustande kommt. Die Ursache für diese Verteilung ist die Koexistenz von lokalisierten und delokalisierten Elektronenzuständen in diesem hoch dotierten Halbleiter. In Zinkoxid konnte das quadrupolar aufgespaltene Spektrum zur Bestimmung des elektrischen Feldgradienten am Kernort benutzt werden.

Goal of this work was the investigation of electron donors in highly doped semiconductors by means of the Overhauser technique, a radiowave microwave-frequency double resonance technique. Up to now such investigations have not been possible with the Overhauser technique and also the NMR techniques have had to deal with great difficulties. The electronic characteristics of highly doped semiconductors are mainly determined by the additional electrons of the donor nuclei. Therefore knowledge of the donor nuclei inside the host material is fundamental not only for the improvement of the electronic properties of such materials, but also for the realization of new ideas regarding the semiconductor technique as for example spintronics or quantum computing. In this thesis it is shown which requirements the equipment has to fulfill for detecting the donor nuclei by means of the Overhauser technique. Special attention was payed to the design of the sample holder. Donor nuclei could be detected in phosphorus doped silicon, in nitrogen doped silicon carbide and gallium doped zinc oxide. The signal of the nitrogen nuclei could not be examined thoroughly due to the insufficient signal to noise ratio. The signal of the phosphorus nuclei is explained in great detail. It is caused by a distribution of the nuclei's resonance frequency. The reason of this distribution is the coexistence of localized and delocalized electron states in this strongly doped semiconductor. In zinc oxid the quadrupolar split spectra of the gallium donors were used to determine the electronic field gradients at the nucleus position.