Аби ницио моделирование ответа на низкоэнергетическое облучение в Si, Ge и сверхрешетках Si/Ge

Аннотация

С помощью аби ницио молекулярной динамики изучено влияние низкоэнергетичного ионного облучения на объемный кремний (Si), объемный германий (Ge) и сверхрешетку (СР) Si/Ge. Выявлено, что атомы Ge на границе СР сохраняют порог смещения, близкий к объемному Ge, тогда как атомы Si вблизи границы демонстрируют более высокий порог смещения, чем объемный Si, что указывает на повышенную радиационную стойкость. Механизмы генерации дефектов различаются в объемных и СР структурах: в СР формируются более сложные кластеры дефектов. Расчет энергий образования и миграционных барьеров дефектов показывает, что точечные дефекты в СР труднее образуются, а вакансии менее подвижны. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности Si/Ge сверхрешеток для электронных и оптоэлектронных устройств, работающих в условиях облучения.

Введение

В последние годы сверхрешетки Si/Ge стали универсальной платформой для перспективных электронных и оптоэлектронных приборов благодаря настраиваемой зонной структуре и повышенной подвижности носителей заряда. Применение охватывает быстрые фотодиоды для оптической связи, микроэлектронику, солнечные батареи и космические компоненты. Однако воздействие высокоэнергетических ионов в космосе может менять оптические и электронные свойства материалов, приводя к деградации приборов. Поэтому понимание радиационного ответа Si/Ge СР в экстремальных условиях является критически важным.

Экспериментальные работы документировали превосходную радиационную стойкость Si/Ge СР по сравнению с объемным Si. Например, исследования электронного облучения монослойных Ge-встроенных СР показали сниженную деградацию фоtolюминесценции относительно объемного кремния, а облучение 2 МэВ протонами Ge-квантовых-точечных структур в СР выявило исключительную толерантность. Аналогичные тенденции наблюдались в Ge-квантовых ямах на Si/Ge многослойных структурах и в термоэлектрических измерениях, где ионный флюс повышал фигуру mérite за счет усиления фононного рассеяния и электронного переноса. Несмотря на эти данные, всестороннее атомистическое понимание образования и эволюции дефектов в Si/Ge СР остается недостаточным.

Аби ницио молекулярная динамика (AIMD) предоставляет мощный инструмент для зондирования радиационного повреждения на атомном уровне, обеспечивая межатомные потенциалы, полученные из первых принципов электронной структуры. В отличие от классической MD, AIMD учитывает эффекты зарядопереноса и электронного экранирования, позволяя точно определять пороговые энергии смещения (E_d) и конфигурации дефектов. В данной работе AIMD применяется для сравнения низкоэнергетических событий смещения в объемном Si, Ge и Si₂/Ge₂ СР, идентификации механизмов их различных радиационных свойств и количественной оценки энергетики образования и миграции дефектов.

Методы

Каскады смещения моделировались с помощью кода SIESTA. Нормально-сохраняющие псевдопотенциалы Трулье-Мартинса описывали ион-электронное взаимодействие, а локальная аппроксимация плотности (LDA) в параметризации Сеперли-Олдер — обмен-корреляционные эффекты. Валентные состояния разворачивались в базис одинарного дзета с поляризацией (SZP), использовалась 1×1×1 k-точечная сетка и отсечение 60 Рю. Модельная суперячейка СР содержала 288 атомов, расположенных в двух слоях Si, чередующихся с двумя слоями Ge (Si₂/Ge₂). На рис. 1 изображены геометрии объемного Si и Si/Ge СР.

Первичный выбиваемый атом (ПВА) выбирался и сообщалась кинетическая энергия для инициации отдачи. Если ПВА возвращался в узел решетки, моделирование повторялось с более высокой энергией с шагом 5 эВ; когда ПВА оставался смещенным, порог уточнялся с точностью 0,5 эВ. Для каждого элемента рассматривалось четыре-пять кристаллографических направлений в объеме и СР. Все расчеты велись в NVE ансамбле и ограничивались 1,2 пс для избежания численной нестабильности.

Результаты и обсуждение

События смещения в объемном кремнии и германии

Расчеты AIMD дали параметры решетки 5,50 Å для объемного Si (соответствует экспериментальным 5,43 Å и теоретическим 5,48 Å) и 5,71 Å для объемного Ge (эксперимент 5,77 Å, теория 5,65 Å). Таблица 1 суммирует пороговые энергии смещения (E_d) и результирующие дефектные структуры, а рис. 2 и 3 показывают конфигурации повреждений для Si и Ge соответственно.

Для объемного Si расчетные E_d близки к экспериментальным: 21 эВ для [001], ~47,6 эВ для [110] и ~12,9 эВ для [111]. Основной тип дефекта во всех случаях — Френкель-пара (вакансия + интерстициал). Наше значение E_d для [110] (47 эВ) превышает классическое MD значение (24 эВ), отражая учет эффектов зарядопереноса в AIMD. Механизмы смещения варьируются: вдоль [111] ПВА рассеивается в интерстициальную позицию, а вытесненный атом возвращается в узел; вдоль [001] сложная последовательность обменов порождает две вакансии и два интерстициала; вдоль [110] множественные столкновения формируют кластер Френкель-пар. Это подтверждает, что направление [110] наиболее устойчиво к смещению в объемном Si.

Объемный Ge показывает E_d, согласующиеся с экспериментом и теорией: ~18 эВ для [001] и 9,5 эВ для [111] и [1 1 1]. Смещение вдоль [111] дает простое образование интерстициала, а вдоль [110] ПВА меняется местами с соседним атомом Ge, создавая одну вакансию и один интерстициал. Как и в Si, направление [110] является самым трудным для смещения. Общий дефектный ландшафт в объемном Si и Ge доминируется Френкель-парами.

События смещения в Si/Ge сверхрешетке

Исследовали Si₂/Ge₂ СР, выбирая ПВА атомы, смежные с границей Si/Ge. Таблица 2 приводит значения E_d и ассоциированные дефекты, рис. 4 и 5 иллюстрируют конфигурации.

В СР атомы Si демонстрируют высокую устойчивость вдоль [1 1 1] (E_d = 10 эВ), тогда как Si[001] и Si[00 1̅] требуют 46,5 и 42,5 эВ соответственно, генерируя сложные антисайт-кластеры. Атомы Ge в СР сохраняют низкие E_d вдоль [111] и [1 1 1̅] (~16 эВ), похожие на объемный Ge, но показывают более высокие пороги вдоль [001] (~17 эВ) и [00 1̅] (~18 эВ). Важно, что Ge[110] в СР имеет сниженный E_d (8,5 эВ) и порождает смешанный дефектный кластер (вакансия, антисайт, интерстициал). Эти результаты подтверждают, что СР повышает радиационную стойкость для Si и, в меньшей степени, для Ge, в согласии с предыдущими экспериментальными наблюдениями.

Энергия образования дефектов и миграционный барьер в объемном Si, Ge и Si/Ge сверхрешетке

Вычислены энергии образования вакансий, интерстициалов и антисайтов в объемном Si, Ge и СР в 64-атомной суперячейке с 6×6×6 k-точечной выборкой и отсечением 500 эВ. Результаты (табл. 3) показывают, что V_Si (3,60 эВ) и V_Ge (2,23 эВ) — наиболее благоприятные дефекты в соответствующих объемных материалах, тогда как в СР энергии образования для большинства дефектов слегка выше, при этом V_Ge (2,73 эВ) и V_Si (2,85 эВ) остаются минимальными.

Миграционные барьеры оценивались для V_Ge и V_Si рядом с границей СР методом nudged elastic band (табл. 4). Вакансии мигрируют легче вдоль [111] как в объеме, так и в СР, но барьеры последовательно ниже в объеме (например, V_Si по [111]: 0,11 эВ в объеме против 0,12 эВ в СР). В направлениях [100] и [110] различия незначительны. Это указывает на подавление подвижности вакансий в СР, что может снижать кластеризацию дефектов и вздутие под облучением.

Заключение

Исследование AIMD демонстрирует, что пороговые энергии смещения в объемном Si и Ge сильно анизотропны, с наибольшей устойчивостью направления [110]. В Si/Ge СР атомы Si показывают повышенное сопротивление вдоль [111] и [001], тогда как атомы Ge сохраняют объемно-подобные пороги, за исключением сниженного значения вдоль [110]. Энергии образования дефектов подтверждают, что точечные дефекты труднее создаются в СР, а миграционные барьеры свидетельствуют о сниженной подвижности вакансий, особенно вдоль наиболее благоприятного направления [111]. Эти комбинированные эффекты лежат в основе превосходной радиационной толерантности Si/Ge сверхрешеток, делая их привлекательными для приборов, выдерживающих суровые радиационные среды.