Quantum properties of dopants for silicon nanospintronics
Final Report Abstract
The properties of semiconductors can be critically modified by the incorporation of impurities. This doping procedure tunes the electrical conductivity and is at the heart of today’s semiconductor technology. In this project several topical aspects of the magnetic resonance of these so-called donors and acceptors were studied in silicon. At the same time, the methods used for these studies were developed further. We first demonstrated that a change in the isotope composition of silicon has a string effect on the resonance signature of boron acceptors. With the help of a model we could show that the different masses of the silicon isotopes are responsible for this behavior. For comparison: The change of the resonance properties of donors is caused by the different nuclear spins of the isotopes. The non-spherical charge distribution of in the nuclei of the heavier donors such as arsenic interact with electric field gradients. We could observe and quantitatively determine this quadrupole interaction in strained containing either neutral As0 or ionized As+ donors. These results offer new possibilities to use the nuclear spins of these donors in future quantum information applications. In parallel, the method of electrically detected magnetic resonance was improved. It allows the highly sensitive detection of paramagnetic states in semiconductor nanostructures. Experiments at low and even vanishing magnetic fields showed that the method can be successfully applied to also study adsorbates on semiconductor surfaces and molecular triplets. A method to detect spin-dependent processes in the bulk of semiconductor devices with the help of radiation defects was developed. This technique very quickly hyperpolarizes nuclear spins and could therefore be suitable for future applications in nuclear magnetic resonance and magnetic resonance imaging. Finally, we could combine a recently develop approach to spin-selectively photoionize dopants with standard magnetic resonance experiments. Die Eigenschaften von Halbleitern werden ganz entscheidend durch das Einbringen von Fremdatomen bestimmt, die unter anderem deren Leitfähigkeit um Größenordnungen verändern können und somit die meisten modernen Halbleiterbaulemente erst ermöglichen. In diesem Projekt wurden verschiedene aktuelle Aspekte der magnetischen Resonanz solcher sogenannten Donatoren und Akzeptoren in Silizium untersucht. Gleichzeitig mussten die dazu verwendeten Methoden weiterentwickelt werden. Zunächst wurde gezeigt, dass eine Veränderung der Isotopenzusammensetzung des Siliziums deutliche Einflüsse auf die Resonanzsignatur von Bor-Akzeptoren hat. Es wurde ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe gezeigt werden konnte, dass die unterschiedliche Masse der Siliziumisotope für diese Abhängigkeit verantwortlich ist. Zum Vergleich: Im Falle von Donatoren ist es der unterschiedliche Kernspin der Siliziumisotope, der die Resonanzsignatur beeinflusst. Schwerere Donatoren können über eine nicht-kugelförmige Ladungsverteilung in ihrem Atomkern mit elektrischen Feldgradienten wechselwirken. Das Projekt konnte diese Quadrupolwechselwirkung für Arsendonatoren in verspanntem Silizium beobachten und sowohl für neutrale wie für ionisierte Donatoren quantitativ bestimmen. Die gewonnenen Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, die Kernspins dieser Donatoren in der Quanteninformationsverarbeitung zu benutzen. Parallel wurde die Methode der elektrisch detektierten magnetischen Resonanz weiterentwickelt. Sie erlaubt den hochempfindlichen Nachweis von paramagnetischen Zuständen in Halbleitern und ihren Nanostrukturen. Experimente bei niedrigen Magnetfeldern und sogar ohne Magnetfeld zeigten, dass sich die Messmethode auch zur Untersuchung von Oberflächenadsorbaten und molekularer Triplettzustände eignet. Ein Verfahren zur hochempfindlichen Messung spinabhängiger Prozesse in Volumenhalbleitern auf der Basis von Strahlendefekten wurde entwickelt. Mit diesem Verfahren lassen sich Kernspinsysteme sehr schnell polarisieren und damit die Nachweisempfindlichkeit von Kernspinresonanz deutlich erhöhen. Schließlich wurde ein bestehendes Verfahren zur spinabhängigen Photoionisation mit den magnetischen Resonanzverfahren verknüpft und damit entscheidend verbessert.
Publications
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Electron Paramagnetic Resonance of Boron Acceptors in Isotopically Purified Silicon. Rapid Communication, Physical Review B 81, 161203 (2010)
H. Tezuka, A. R. Stegner, A. M. Tyryshkin, S. Shankar, M. L. W. Thewalt, S. A. Lyon, K. M. Itoh and M. S. Brandt
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Isotope effect on electron paramagnetic resonance of boron acceptors in silicon. Physical Review B 82, 115213 (2010)
A. R. Stegner, H. Tezuka, T. Andlauer, M. Stutzmann, M. L. W. Thewalt, M. S. Brandt and K. M. Itoh
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Correlation of residual impurity concentration and acceptor electron paramagnetic resonance linewidth in isotopically engineered Si. Applied Physics Letters 99, 032101 (2011)
A. R. Stegner, H. Tezuka, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, M. L. W. Thewalt, K. M. Itoh and M. S. Brandt
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Linewidth of low-field electrically detected magnetic resonance of phosphorus in isotopically controlled silicon. Applied Physics Express 4, 021302 (2011)
Hiroki Morishita, Eisuke Abe, Waseem Akhtar, Leonid S. Vlasenko, Akira Fujimoto, Kentarou Sawano, Yasuhiro Shiraki, Lukas Dreher, Helge Riemann, Nikolai V. Abrosimov, Peter Becker, Hans-J. Pohl, Mike L. W. Thewalt, Martin S. Brandt and Kohei M. Itoh
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Spin-dependent recombination at arsenic donors in ion-implanted silicon. Applied Physics Letters 105, 112111 (2014)
David P. Franke, Manabu Otsuka, Takashi Matsuoka, Leonid S. Vlasenko, Marina P. Vlasenko, Martin S. Brandt and Kohei M. Itoh
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Spin-dependent recombination involving oxygen-vacancy complexes in silicon. Physical Review B 89, 195207 (2014)
David P. Franke, Felix Hoehne, Leonid S. Vlasenko, Kohei M. Itoh and Martin S. Brandt
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Pulsed Low-Field Electrically Detected Magnetic Resonance. Physical Review B 91, 075314 (2015)
L. Dreher, F. Hoehne, H. Morishita, H. Huebl, M. Stutzmann, K. M. Itoh and M. S. Brandt
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Spin Selection Rule-Based Sub-Millisecond Hyperpolarization of Nuclear Spins in Silicon. Physical Review Letters 114, 117602 (2015)
Felix Hoehne, Lukas Dreher, David P. Franke, Martin Stutzmann, Leonid S. Vlasenko, Kohei M. Itoh and Martin S. Brandt
