类型b：学术报告

作者与机构
本文由Noble M. Johnson（Xerox Palo Alto Research Center）和Chris G. Van de Walle（Xerox Palo Alto Research Center）共同撰写，收录于《Semiconductors and Semimetals》系列丛书的第61卷《Hydrogen in Semiconductors II》中，由Academic Press于1999年出版。

主题与背景
本文聚焦于半导体中孤立单原子氢（isolated monatomic hydrogen）在硅（silicon）中的行为，特别是其不同电荷态（charge states）及其在能带结构中的能级位置。氢在半导体中具有两性特性（amphoteric impurity），既可以作为施主（donor）也可以作为受主（acceptor），其电荷态的变化直接影响其在晶格中的位置和扩散行为。研究氢在硅中的能级位置对于理解其在半导体器件中的钝化（passivation）和补偿（compensation）机制至关重要。

主要观点与论据

1. 氢的电荷态与晶格位置
   氢在硅中可以呈现三种电荷态：带正电的H⁺、中性的H⁰和带负电的H⁻。理论计算（基于密度泛函理论，density-functional theory）表明，H⁺倾向于占据键中心位置（bond-center site, BC），形成三中心键（three-center bond），而H⁻则倾向于占据四面体间隙位置（tetrahedral interstitial site）。H⁰的稳定性较低，且其能量始终高于H⁺或H⁻，这体现了氢的负-U特性（negative-U behavior），即两个H⁰会自发转变为H⁺和H⁻以降低系统能量。
   

实验证据支持这一理论：电子顺磁共振（EPR, electron paramagnetic resonance）研究发现，AA9中心（对应于键中心氢）与深能级瞬态谱（DLTS, deep-level transient spectroscopy）中的E3中心具有相同的能级位置（~0.16 eV），证实了H⁰/H⁺的施主能级（donor level）位于导带下方约0.2 eV处。

1. 氢的施主与受主能级
   氢的施主能级（ε⁺/⁰）和受主能级（ε⁰/⁻）分别对应于H⁺/H⁰和H⁰/H⁻的电荷转变能级。实验通过DLTS和电容瞬态分析（capacitance transient measurements）确定了施主能级位于导带下方约0.2 eV，而受主能级位于价带上方约0.6 eV处。由于负-U特性，氢的中性态（H⁰）在平衡条件下几乎不占主导地位，其浓度远低于H⁺或H⁻。
   

这一结论修正了早期研究（如Van Wieringen和Warmoltz, 1956）的假设，即氢在高温扩散中主要以中性态存在。实际上，在高温本征硅中，H⁺是主要电荷态。

1. 氢的扩散与平衡浓度
   氢的扩散行为与其电荷态密切相关。H⁺和H⁻的扩散势垒（diffusion barrier）均较低（<0.5 eV），因此氢在硅中具有高迁移率。平衡浓度由费米能级（Fermi level）决定：在p型硅中，H⁺占主导；在n型硅中，H⁻占主导。这种电荷态依赖性解释了氢在掺杂钝化中的作用——H⁺会与受主（acceptors）形成复合体，而H⁻会与施主（donors）结合，从而中和其电活性。
   

意义与价值
本文系统地整合了理论与实验研究，明确了氢在硅中的电荷态、能级位置及其对半导体性能的影响。这些发现不仅深化了对氢行为的理解，还为半导体器件的氢钝化工艺提供了理论指导。例如，在p型硅中，氢的施主特性可用于钝化受主杂质，而在n型硅中，氢的受主特性可用于钝化施主杂质。此外，负-U特性的揭示为其他半导体中氢的研究提供了重要参考。

亮点
1. 首次通过实验与理论结合，定量确定了氢在硅中的施主和受主能级位置。
2. 揭示了氢的负-U特性，解释了其中性态不稳定的原因。
3. 修正了早期关于氢扩散机制的假设，明确了H⁺在高温本征硅中的主导地位。
4. 为半导体器件的氢钝化技术提供了理论基础，具有重要的应用价值。