V. relevanță pentru impuritățile hidrogenului
rezultatele muoniului oferă o imagine calitativă excelentă a comportamentului centrelor izolate de defecte de hidrogen din semiconductori, în special având în vedere faptul că există doar câteva măsurători experimentale care examinează direct stările de hidrogen analoage. Compararea structurii și a diferiților parametri dinamici pentruhbc0 șimubc0 în siliciu oferă în prezent singura suprapunere a parametrilor de energie măsurați. Aceste valori sunt în acord rezonabil, cu diferențele dintre diferitele măsurători pe Mu sau H de aproximativ aceeași magnitudine ca și dezacordul dintre valorile medii pentru cele două. Colegii mei și cu mine am făcut comparații detaliate ale rezultatelor experimentale H și Mu disponibile (Kreitzman și colab., 1995; Lichti și colab., 1995) și concluzionează că rezultatele muoniului ar trebui considerate ca o estimare cantitativă bună pentru hidrogen, cel puțin în ceea ce privește tranzițiile care implicăhbc0.
barierele pentru mișcările între situri ar trebui să fie ceva mai mari pentru H decât pentru Mu pe baza energiei mai mari a punctului zero pentru muoniu, în timp ce se așteaptă ca energiile strict electronice să fie foarte similare. De exemplu, obținem 0,40 eV pentru tranziția de captare e de lamubc + toMuT0 la debutul ciclurilor de încărcare a muoniului peste temperatura camerei, în timp ce o tranziție similară poate fi dedusă din comportamentul de recoacere al DLT-urilor (Bech Neilsen și colab., 1994) și EPR (Gorelkinski și Nevinnyi, 1992) semnale de lahbc0 pentru care s-au obținut bariere de 0,44 și 0,48 eV. Aceste valori dau un acord decent atunci când se iau în considerare diferențele preconizate, în special având în vedere diferența de aproape 8 ordine de mărime în scalele de timp efective între metodele de măsurare. Măsurătorile DLTS oferă o energie de 0,16 eV asociată cu tranziția hbc0 toHBC+ (Holm și colab., 1991). Atunci când este corectată pentru efectele câmpului electric, aceasta produce o energie de ionizare puțin peste 0,18 eV, oarecum sub cea mai bună valoare actuală de aproximativ 0,20 eV pentru ionizarea submubc0, dar în intervalul rezultatelor diferitelor tehnici de la centimetrii care au fost aplicate acestei probleme.
poate fi comparată și o a treia energie. Datele de muoniu din eșantioanele de tip N identifică tranziția responsabilă ca e-capture byMuBC0 rezultând În starea finală aMuT. O barieră de 0,32 eV este obținută în fits folosind modelul complet. Energia corespunzătoare legată de captarea unui al doilea electron în omologul de hidrogen dă 0,29 și 0,30 eV pentru 1H și, respectiv, 2h din curbele de recoacere DLTS (Holm și colab., 1991). Rămâne o anumită incertitudine dacă rezultatul hidrogenului ar trebui asociat direct cu procesul de captare e sau cu un al doilea pas legat de migrarea Centrului rezultat. Datele de muoniu legate de această tranziție arată efectele depolarizării rubc0 care complică potrivirile, făcând valoarea energetică ceva mai puțin sigură. Astfel, chiar dacă aceste energii sunt ordonate opus față de ceea ce se așteaptă pe baza unor argumente simple, acordul este cu siguranță satisfăcător, având în vedere complicațiile în analiza și interpretarea datelor H și Mu. Mult mai important decât o astfel de comparație detaliată a parametrilor dinamici, comportamentul de bază pentru cele două impurități BC pare să fie pe deplin în concordanță între ele în cazul în care informațiile experimentale se suprapun. Acest acord fundamental oferă un argument puternic conform căruia volumul mare de rezultate suplimentare din investigațiile cu muoniu ar trebui să se traducă la comportamentul izolat al hidrogenului într-o manieră semicantitativă similară.
implicațiile pentru mișcarea difuzivă a hidrogenului care apar din datele de muoniu la temperaturi ridicate sunt considerabile și nu au fost pe deplin apreciate anterior. Tranzițiile ciclice de stare de încărcare care domină dinamica Mu la temperaturi ridicate în aproape fiecare semiconductor cu o bandă mică sau intermediară ar trebui să apară și pentru hidrogen. Aceste tranziții sunt rapide pe o scară de timp microsecundă și trebuie incluse în orice model de caracteristici dinamice legate de impuritățile izolate de hidrogen. Rezultatele muoniului implică tranziții ciclice în și din starea extrem de mobileMuT0, care este metastabil în siliciu. Pentru cazul Mu, acest centru este cu multe ordine de mărime mai mobil decât oricare dintre celelalte stări și, prin urmare, poate domina mișcarea difuzivă chiar și atunci când nu este starea așteptată în echilibru termic. Rezultatele muoniului subliniază într-un mod foarte dramatic că echilibrul termic nu este o situație statică, în special la temperaturi ridicate.
există cel puțin două rezultate importante care sunt direct relevante pentru modelele de difuzie a hidrogenului. Prima este identificarea probabilă a stării de difuzie rapidă în siliciu, și anume, o specie H0 metastabilă care poate sări cu ușurință printre interstițiile tetraedrice direct analoge mișcării toMuT0. Comportamentul de tunel cuantic la temperatură scăzută care este important pentrumut0 ar trebui să fie mai puțin relevant pentru cazul hidrogenului; cu toate acestea, peste 100 K, mișcările ar trebui să fie foarte asemănătoare cu o anumită ajustare a înălțimii barierei. O mare parte din datele de difuzie a hidrogenului obținute de-a lungul anilor necesită o mișcare întreruptă a unui centru de difuzie rapidă, interpretat în mod obișnuit ca capcană și detrapping la o altă impuritate. Experimentele cu muonium identifică cu siguranță un candidat bun pentru speciile care difuzează rapid în centrul neutru al site-ului T.
rezultatele ciclului de încărcare a muoniului sunt în mod clar relevante pentru mișcarea hidrogenului și sugerează că difuzia ar putea avea loc ca mișcare întreruptă în mod repetat chiar și fără formarea și disocierea unui complex h-impuritate, chiar dacă nu există nicio îndoială că astfel de complexe joacă un rol dominant. În special, măsurătorile în Si, Ge și GaAs unde au fost obținute detaliile tranzițiilor din aceste cicluri de încărcare sugerează că difuzia speciilor încărcate poate fi foarte bine dominată de tranzițiile stării de încărcare în centrul H0 mobil, mai degrabă decât de mișcarea centrelor h+ sau H în sine. Acest rezultat ar trebui să se aplice mișcării hidrogenului în materialul vrac, dar poate fi mai puțin relevant direct pentru măsurătorile din regiunile de epuizare sub influența câmpurilor electrice, deoarece prezența purtătorilor de sarcină este crucială pentru tranzițiile ciclice ale stării de sarcină. Datele de muoniu și tranzițiile rapide pe care le reprezintă trebuie să fie luate în considerare la interpretarea măsurătorilor privind difuzia hidrogenului. Cel mai important, orice model care se bazează pe o singură specie de hidrogen la temperaturi ridicate ar trebui tratat cu un anumit scepticism. Transferul rezultatelor muoniului în hidrogen, chiar și într-un mod calitativ foarte dur, implică faptul că tranzițiile între diferitele stări de hidrogen izolate ar trebui să aibă loc extrem de rapid pe scara de timp a majorității tehnicilor de măsurare aplicate studiului impurităților de hidrogen.
în concluzie, studiul muoniului a furnizat în trecut o mulțime de informații cu privire la natura centrelor izolate de defecte de hidrogen din semiconductori. Investigațiile noastre recente privind stabilitatea sitului și dinamica mișcării diferitelor centre de muoniu și a tranzițiilor dintre statele de muoniu au produs un model operațional detaliat al dinamicii Mu în siliciu. Diagrama coordonatelor de configurare asociate cu acest model ar trebui, în general, să fie aplicabilă altor semiconductori coordonați tetraedric. Investigațiile în curs vizează determinarea modificărilor specifice ale acestei diagrame și a parametrilor dinamici pentru tranzițiile de muoniu în alte materiale. S-au înregistrat progrese semnificative pentru Ge și GaAs, deși multe dintre misiunile preliminare ale procesului de tranziție trebuie verificate prin examinarea unei varietăți de probe dopate. Rezultatele pentru dinamica tranziției muoniului se aplică calitativ impurităților de hidrogen izolate analoage; astfel, aceste experimente oferă informații despre stările de hidrogen care sunt extrem de dificil de investigat direct. Muonium afișează o varietate foarte bogată de caracteristici dinamice. În plus față de aplicarea sa evidentă ca analog cu impuritățile izolate de hidrogen, acest sistem va continua să producă date experimentale pentru comparație cu rezultatele dezvoltării tehnicilor teoretice de modelare a comportamentului dinamic al impurităților în semiconductori.