J. Phys. France 36, 1131-1136 (1975)
DOI: 10.1051/jphys:0197500360110113100

Electron spin resonance study of interacting donor clusters in phosphorus-doped silicon at 100 GHz and low temperatures

K. Morigaki et M. Rosso

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l'Ecole Polytechnique, Plateau de Palaiseau, 91120 Palaiseau, France

Abstract
ESR experiments have been performed on phosphorus-doped silicon with concentrations ranging from 1.9 x 10 17 cm-3 to 2.8 ×1018 cm-3 at 1.4-4.2 K and 100 GHz. The peak shift of the central ESR line with respect to the center of the two hyperfine lines has been investigated as a function of donor concentration, temperature, and microwave power. In general, it consists of a microwave power-dependent part and of a microwave power-independent one. The former part is interpreted in terms of the Overhauser effect ; the latter one is due to an asymmetry of the spectrum, understood on the basis of a new model proposed by one of the authors, which takes into account the clustering of nearby donors according to the exchange interaction between their electronic spins, and the hyperfine interaction with 31P nuclei.

Résumé
Nous avons étudié, par résonance de spin électronique à 100 GHz, à 1,4 K et 4,2 K, le silicium dopé au phosphore de la région de concentration en donneurs comprise entre 1,9 × 1017 cm-3 et 2,8 x 10 18 cm-3. Le déplacement de la raie centrale par rapport aux deux raies hyperfines a été étudié en fonction de la concentration en donneurs, de la température et de la puissance hyperfréquence. A faible puissance hyperfréquence, le déplacement de la raie centrale est dû à une asymétrie du spectre, interprétée dans un modèle proposé par un des auteurs, qui tient compte du regroupement des donneurs en amas en fonction des interactions d'échange entre leurs spins électroniques et de l'interaction hyperfine entre électrons et noyau 31P. L'augmentation du déplacement avec la puissance hyperfréquence est attribuée à une augmentation de la polarisation nucléaire par effet Overhauser.

PACS
7630D - Ions and impurities: general.

Key words
crystal hyperfine field interactions -- elemental semiconductors -- exchange interactions electron -- Overhauser effect -- paramagnetic resonance -- phosphorus -- silicon