V. Pertinence pour les impuretés d’hydrogène
Les résultats du muonium donnent une excellente image qualitative du comportement des centres de défauts d’hydrogène isolés dans les semi-conducteurs, d’autant plus qu’il n’existe que quelques mesures expérimentales qui examinent directement les états d’hydrogène analogues. La comparaison de la structure et de divers paramètres dynamiques pourhbc0 etmubc0 dans le silicium fournit actuellement le seul chevauchement des paramètres d’énergie mesurés. Ces valeurs sont en accord raisonnable, les différences entre les différentes mesures sur Mu ou H étant à peu près de la même ampleur que le désaccord entre les valeurs moyennes pour les deux. Mes collègues et moi-même avons fait des comparaisons détaillées des résultats expérimentaux H et Mu disponibles (Kreitzman et al., 1995; Lichti et coll., 1995) et concluent que les résultats du muonium doivent être considérés comme une bonne estimation quantitative de l’hydrogène, du moins en ce qui concerne les transitions impliquant HBC0.
Les barrières pour les mouvements entre les sites devraient être un peu plus élevées pour H que pour Mu en fonction de l’énergie du point zéro plus grande pour le muonium, tandis que les énergies strictement électroniques devraient être très similaires. A titre d’exemple, nous obtenons 0,40 eV pour la transition e-capture demubc + toMuT0 au début des cycles de charge de muonium au-dessus de la température ambiante, alors qu’une transition similaire peut être déduite du comportement de recuit des DLT (Bech Neilsen et al., 1994) et des signaux EPR (Gorelkinski et Nevinnyi, 1992) de HBC0 pour lesquels des barrières de 0,44 et 0,48 eV ont été obtenues. Ces valeurs donnent un accord décent lorsque les différences attendues sont prises en compte, en particulier compte tenu de la différence de près de 8 ordres de grandeur dans les échelles de temps effectives entre les méthodes de mesure. Les mesures DLTS donnent une énergie de 0,16 eV associée à la transition HBC0 toHBC+ (Holm et al., 1991). Une fois corrigée pour les effets de champ électrique, cela donne une énergie d’ionisation un peu supérieure à 0,18 eV, légèrement inférieure à la meilleure valeur actuelle d’environ 0,20 eV pour l’ionisation deMuBC0 mais dans la plage des résultats des différentes techniques µSR qui ont été appliquées à ce problème.
Une troisième énergie peut également être comparée. Les données sur le muonium dans les échantillons de type n identifient la transition responsable comme une capture électronique byMuBC0 entraînant un état aMuT-final. Une barrière de 0,32 eV est obtenue par ajustement en utilisant le modèle complet. L’énergie correspondante liée à la capture d’un deuxième électron dans la contrepartie hydrogène donne 0,29 et 0,30 eV pour 1H et 2H, respectivement, à partir des courbes de recuit DLTS (Holm et al., 1991). Il reste une certaine incertitude quant à savoir si le résultat de l’hydrogène doit être associé directement au processus de capture électronique ou à une deuxième étape liée à la migration du centre résultant. Les données sur le muonium liées à cette transition montrent des effets de dépolarisation du CUBC0 qui compliquent les ajustements, rendant la valeur énergétique un peu moins certaine. Ainsi, même si ces énergies sont ordonnées de manière opposée à ce qui est attendu sur la base d’arguments simples, l’accord est certainement satisfaisant compte tenu des complications dans l’analyse et l’interprétation des données H et Mu. Bien plus important que cette comparaison détaillée des paramètres dynamiques, le comportement de base des deux impuretés BC semble être parfaitement cohérent l’un avec l’autre lorsque les informations expérimentales se chevauchent. Cet accord fondamental fournit un argument solide selon lequel le grand volume de résultats supplémentaires des études sur le muonium devrait se traduire par un comportement isolé de l’hydrogène de manière semi-quantitative similaire.
Les implications pour le mouvement de diffusion de l’hydrogène résultant des données sur le muonium à haute température sont considérables et n’ont pas été pleinement appréciées auparavant. Les transitions cycliques d’état de charge qui dominent la dynamique de la Mu à des températures élevées dans presque tous les semi-conducteurs avec une bande interdite petite ou intermédiaire devraient également se produire pour l’hydrogène. Ces transitions sont rapides sur une échelle de temps de la microseconde et doivent être incluses dans tout modèle de caractéristiques dynamiques liées aux impuretés d’hydrogène isolées. Les résultats du muonium impliquent des transitions cycliques dans et hors de l’état hautement mobileMuT0, qui est métastable dans le silicium. Dans le cas de la Mu, ce centre est de plusieurs ordres de grandeur plus mobile que n’importe lequel des autres états et peut par conséquent dominer le mouvement diffusif même s’il n’est pas l’état attendu en équilibre thermique. Les résultats du muonium soulignent de manière très spectaculaire que l’équilibre thermique n’est pas une situation statique, en particulier à des températures élevées.
Il existe au moins deux résultats importants qui sont directement pertinents pour les modèles de diffusion de l’hydrogène. La première est l’identification probable de l’état de diffusion rapide dans le silicium, à savoir une espèce H0 métastable qui peut facilement sauter parmi les interstices tétraédriques directement analogue au mouvement toMuT0. Le comportement de tunnel quantique à basse température qui est important pour forMuT0 devrait être moins pertinent pour le cas de l’hydrogène; cependant, au-dessus de 100 K, les mouvements devraient être très similaires avec un certain ajustement de la hauteur de la barrière. Une grande partie des données de diffusion de l’hydrogène obtenues au fil des ans nécessitent un mouvement interrompu d’un centre à diffusion rapide, généralement interprété comme piégeant et détruisant une autre impureté. Les expériences de muonium identifient certainement un bon candidat pour les espèces à diffusion rapide dans le centre neutre du site T.
Les résultats du cycle de charge du muonium sont clairement pertinents pour le mouvement de l’hydrogène et suggèrent que la diffusion pourrait se produire sous forme de mouvement interrompu à plusieurs reprises même sans formation et dissociation d’un complexe d’impureté H, même s’il ne fait aucun doute que de tels complexes jouent un rôle dominant. En particulier, les mesures en Si, Ge et GaAs où les détails des transitions dans ces cycles de charge ont été obtenus suggèrent que la diffusion des espèces chargées peut très bien être dominée par des transitions d’état de charge vers le centre H0 mobile plutôt que par le mouvement des centres H+ ou H- eux−mêmes. Ce résultat devrait s’appliquer au mouvement de l’hydrogène dans le matériau en vrac, mais peut être moins directement pertinent pour les mesures dans les régions d’épuisement sous l’influence des champs électriques, car la présence de porteurs de charge est cruciale pour les transitions cycliques de l’état de charge. Les données sur le muonium et les transitions rapides qu’elles représentent doivent être gardées à l’esprit lors de l’interprétation des mesures sur la diffusion de l’hydrogène. Plus important encore, tout modèle qui ne repose que sur une seule espèce d’hydrogène à des températures élevées doit être traité avec un certain scepticisme. Le transfert des résultats du muonium à l’hydrogène, même de manière qualitative très approximative, implique que les transitions entre les différents états d’hydrogène isolés doivent se produire extrêmement rapidement sur l’échelle de temps de la plupart des techniques de mesure appliquées à l’étude des impuretés d’hydrogène.
En conclusion, l’étude du muonium a fourni par le passé de nombreuses informations sur la nature des centres de défauts d’hydrogène isolés dans les semi-conducteurs. Nos recherches récentes sur la stabilité du site et la dynamique du mouvement de divers centres de muonium, ainsi que sur les transitions entre les états de muonium, ont produit un modèle opérationnel détaillé de la dynamique de la Mu dans le silicium. Le diagramme de coordonnées de configuration associé à ce modèle devrait généralement s’appliquer à d’autres semi-conducteurs coordonnés tétraédralement. Les recherches en cours visent à déterminer des modifications spécifiques à ce diagramme et les paramètres dynamiques des transitions de muonium dans d’autres matériaux. Des progrès significatifs ont été réalisés pour le Ge et le GaAs, bien que bon nombre des affectations préliminaires du processus de transition doivent être vérifiées en examinant divers échantillons dopés. Les résultats de la dynamique de transition du muonium s’appliquent qualitativement aux impuretés d’hydrogène isolées analogues; ainsi, ces expériences fournissent des informations sur les états d’hydrogène extrêmement difficiles à étudier directement. Le muonium présente une très riche variété de caractéristiques dynamiques. En plus de son application évidente en tant qu’analogue aux impuretés d’hydrogène isolées, ce système continuera à fournir des données expérimentales à comparer avec les résultats du développement de techniques théoriques de modélisation du comportement dynamique des impuretés dans les semi-conducteurs.