Electronic structure of interstitial hydrogen in In-Ga-Zn-O semiconductor simulated by muon
Electronic structure of interstitial hydrogen in In-Ga-Zn-O semiconductor simulated by muon
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μ子模拟In-Ga-Zn-O半导体中间隙氢的电子结构
DOI：
10.1063/1.5117771
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发表时间：
2019
影响因子：
4
通讯作者：
H. Hosono
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
K. Kojima;M. Hiraishi;H. Okabe;A. Koda;R. Kadono;K. Ide;S. Matsuishi;H. Kumomi;T. Kamiya;H. Hosono
我们报告了通过 μ 子自旋旋转/弛豫 ($\mu$SR) 实验研究的 In-Ga-Zn 氧化物 (IGZO) 半导体中作为赝氢的间隙 μ 子 (Mu) 的局域电子结构。在多晶（c-）IGZO中，推断Mu处于抗磁状态，其中零外场下的$\mu$SR时间谱由高斯Kubo-Toyabe弛豫函数完美描述，线宽$\Delta$作为In/Ga核磁矩随机局部场的灵敏测量。 $\Delta$ 的大小与 H（模拟 Mu）的密度泛函理论计算相结合表明 Mu 占据 Zn-O 键中心位点 (Mu$_{\rm BC}$)，类似于晶体 ZnO 中的情况。这意味着 c-IGZO 中的抗磁态对应于 Mu$_{\rm BC}^+$，从而充当电子供体。在非晶 (a-) IGZO 中，沉积薄膜中的局部 Mu 结构与 c-IGZO 中的局部 Mu 结构几乎相同，表明电子态为 Mu$_{\rm BC}^+$。相比之下，重氢化a-IGZO薄膜中的抗磁信号表现出洛伦兹Kubo-Toyabe弛豫，这意味着Mu伴随着邻近核自旋的更不均匀分布，可能涉及氧空位中的Mu$^-$H$^-$-复合态。
We report on the local electronic structure of interstitial muon (Mu) as pseudo-hydrogen in In-Ga-Zn oxide (IGZO) semiconductor studied by muon spin rotation/relaxation ($\mu$SR) experiment. In polycrystalline (c-) IGZO, it is inferred that Mu is in a diamagnetic state, where the $\mu$SR time spectra under zero external field is perfectly described by the Gaussian Kubo-Toyabe relaxation function with the linewidth $\Delta$ serving as a sensitive measure for the random local fields from In/Ga nuclear magnetic moments. The magnitude of $\Delta$ combined with the density functional theory calculations for H (to mimic Mu) suggests that Mu occupies Zn-O bond-center site (Mu$_{\rm BC}$) similar to the case in crystalline ZnO. This implies that the diamagnetic state in c-IGZO corresponds to Mu$_{\rm BC}^+$, thus serving as an electron donor. In amorphous (a-) IGZO, the local Mu structure in as-deposited films is nearly identical with that in c-IGZO, suggesting Mu$_{\rm BC}^+$ for the electronic state. In contrast, the diamagnetic signal in heavily hydrogenated a-IGZO films exhibits the Lorentzian Kubo-Toyabe relaxation, implying that Mu accompanies more inhomogeneous distribution of the neighboring nuclear spins that may involve Mu$^-$H$^-$-complex state in an oxygen vacancy.
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