Simulation ab initio de la réponse aux rayonnements de faible énergie dans Si, Ge et super-réseaux Si/Ge

Résumé

En utilisant la dynamique moléculaire ab initio, nous examinons comment l'irradiation ionique de faible énergie affecte le silicium (Si) massif, le germanium (Ge) massif et un super-réseau (SL) Si/Ge. L'étude révèle que les atomes de Ge à l'interface du SL conservent une résistance au déplacement similaire au Ge massif, tandis que les atomes de Si près de l'interface présentent un seuil de déplacement plus élevé que le Si massif, indiquant une tolérance aux rayonnements améliorée. Les mécanismes de génération de défauts diffèrent entre les structures massives et SL, le SL produisant des agrégats de défauts plus complexes. Les calculs des énergies de formation et des barrières de migration des défauts démontrent que les défauts ponctuels dans le SL sont plus difficiles à former et que les lacunes sont moins mobiles. Ces résultats suggèrent que les SL Si/Ge sont prometteurs pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques opérant dans des environnements riches en rayonnements.

Contexte

Ces dernières années, le super-réseau Si/Ge s'est imposé comme une plateforme polyvalente pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques de nouvelle génération, grâce à sa structure de bande ajustable et sa mobilité de porteurs améliorée. Les applications couvrent les photodiodes rapides pour communications optiques, la microélectronique, les cellules solaires et les composants spatiaux. Cependant, l'exposition aux ions de haute énergie dans l'espace peut altérer les propriétés optiques et électroniques de ces matériaux, entraînant une dégradation des dispositifs. Comprendre la réponse aux rayonnements des SL Si/Ge sous conditions extrêmes est donc essentiel.

Des travaux expérimentaux ont documenté la résistance supérieure aux rayonnements des SL Si/Ge comparée au Si massif. Par exemple, des études d'irradiation électronique sur des SL à monocouche de Ge ont montré une dégradation de photoluminescence réduite par rapport au silicium massif, tandis que l'irradiation protonique à 2 MeV de structures à points quantiques de Ge dans SL a révélé une tolérance exceptionnelle. Des tendances similaires ont été observées dans les dispositifs à puits quantiques de Ge sur multicouches Si/Ge et dans les mesures thermoélectriques, où le fluence ionique augmentait le facteur de mérite en améliorant la diffusion phononique et le transport électronique. Malgré ces avancées, une compréhension atomistique complète de la formation et de l'évolution des défauts dans les SL Si/Ge fait défaut.

La dynamique moléculaire ab initio (AIMD) offre un outil puissant pour sonder les dommages radiatifs à l'échelle atomique, fournissant des potentiels interatomiques dérivés de calculs de structure électronique à partir des premiers principes. Contrairement à la MD classique, l'AIMD capture les effets de transfert de charge et d'écrantage électronique, permettant une détermination précise des énergies de déplacement seuil (E_d) et des configurations de défauts. Dans ce travail, nous employons l'AIMD pour comparer les événements de déplacement de faible énergie dans le Si massif, le Ge massif et un SL Si₂/Ge₂, identifier les mécanismes sous-jacents à leurs comportements radiatifs distincts, et quantifier la formation et l'énergie de migration des défauts.

Méthodes

Les cascades de déplacement étaient simulées avec le code SIESTA. Des pseudopotentiels de Troullier-Martins à conservation de norme décrivaient l'interaction ion-électron, tandis que l'approximation de densité locale (LDA) dans la paramétrisation Ceperley-Alder traitait les effets d'échange-corrélation. Les états de valence étaient développés dans une base simple-zêta plus polarisation (SZP), avec un maillage k-point 1×1×1 et une coupure à 60 Ry. Le modèle de supercellule pour le SL comprenait 288 atomes arrangés en deux couches de Si alternant avec deux couches de Ge (Si₂/Ge₂). La Figure 1 illustre les géométries du Si massif et du SL Si/Ge.

Un atome primary knock-on (PKA) était sélectionné et doté d'une énergie cinétique pour initier un événement de recul. Si le PKA retournait à son site de réseau, la simulation était répétée à une énergie plus élevée par incréments de 5 eV ; une fois le PKA restant déplacé, le seuil était affiné à une précision de 0,5 eV. Pour chaque élément, nous examinions quatre à cinq directions cristallographiques dans le massif et le SL. Tous les runs utilisaient l'ensemble NVE et étaient limités à 1,2 ps pour éviter l'instabilité numérique.

Résultats et discussion

Événements de déplacement dans le silicium et le germanium massifs

Nos calculs AIMD ont donné des constantes de réseau de 5,50 Å pour le Si massif (correspondant à l'expérimental 5,43 Å et théorique 5,48 Å) et 5,71 Å pour le Ge massif (aligné avec l'expérimental 5,77 Å et théorique 5,65 Å). Le Tableau 1 résume les énergies de déplacement seuil (E_d) et les structures de défauts résultantes, tandis que les Figures 2 et 3 dépeignent les configurations de dommages pour le Si et le Ge respectivement.

Pour le Si massif, les valeurs E_d calculées sont proches des mesures expérimentales : 21 eV pour [001], ~47,6 eV pour [110], et ~12,9 eV pour [111]. Le type de défaut primaire dans tous les cas est une paire de Frenkel (lacune plus interstitiel). Notre E_d pour [110] (47 eV) dépasse la valeur MD classique (24 eV), reflétant l'inclusion des effets de transfert de charge dans l'AIMD. Les mécanismes de déplacement varient : le long de [111], le PKA se disperse vers un site interstitiel tandis que l'atome déplacé retourne à son site de réseau ; le long de [001], une séquence d'échanges plus complexe produit deux lacunes et deux interstitiels ; et le long de [110], de multiples collisions mènent à un agrégat de paires de Frenkel. Ces résultats confirment que la direction [110] est la plus résistante au déplacement dans le Si massif.

Le Ge massif montre des valeurs E_d alignées avec l'expérience et la théorie : ~18 eV pour [001] et 9,5 eV pour [111] et [1 1 1]. Le déplacement le long de [111] produit une simple formation interstitielle, tandis que le long de [110] le PKA échange de position avec un atome de Ge voisin, créant une lacune et un interstitiel. Comme dans le Si, la direction [110] est la plus difficile à déplacer. Le paysage de défauts global dans le Si et Ge massifs est dominé par les paires de Frenkel.

Événements de déplacement dans le super-réseau Si/Ge

Nous avons investigué le SL Si₂/Ge₂ en sélectionnant des atomes PKA adjacents à l'interface Si/Ge. Le Tableau 2 liste les valeurs E_d et défauts associés, tandis que les Figures 4 et 5 illustrent les configurations résultantes.

Dans le SL, les atomes de Si sont hautement résistants le long de la direction [1 1 1] (E_d = 10 eV), tandis que Si[001] et Si[00 1̅] requièrent 46,5 eV et 42,5 eV respectivement, et génèrent des agrégats d'antisites complexes. Les atomes de Ge dans le SL conservent de faibles valeurs E_d le long de [111] et [1 1 1̅] (≈16 eV) similaires au Ge massif, mais affichent des seuils plus élevés le long de [001] (≈17 eV) et [00 1̅] (≈18 eV). Importamment, Ge[110] dans le SL a un E_d réduit (8,5 eV) et produit un agrégat de défauts mixte (lacune, antisite, interstitiel). Ces résultats confirment que le SL améliore la résistance aux rayonnements pour le Si et, dans une moindre mesure, pour le Ge, en accord avec les observations expérimentales antérieures.

Énergie de formation des défauts et barrière de migration dans le Si massif, Ge massif et SL Si/Ge

Nous avons calculé les énergies de formation des défauts pour les lacunes, interstitiels et antisites dans le Si massif, le Ge massif et le SL en utilisant une supercellule de 64 atomes, un échantillonnage k-point 6×6×6 et une coupure à 500 eV. Les résultats, montrés au Tableau 3, indiquent que V_Si (3,60 eV) et V_Ge (2,23 eV) sont les défauts les plus favorables dans leurs matériaux massifs respectifs, tandis que le SL affiche des énergies de formation légèrement plus élevées pour la plupart des défauts, avec V_Ge (2,73 eV) et V_Si (2,85 eV) restant les plus bas.

Les barrières de migration ont été évaluées pour V_Ge et V_Si adjacents à l'interface du SL par la méthode de la bande élastique (Tableau 4). Les lacunes migrent plus aisément le long de la direction [111] dans le massif et le SL, mais les barrières sont constamment plus basses dans le massif (ex. V_Si le long de [111] : 0,11 eV dans le massif vs 0,12 eV dans le SL). En revanche, la migration le long de [100] et [110] montre des différences modestes. Ces résultats suggèrent que la mobilité des lacunes est supprimée dans le SL, ce qui pourrait réduire l'agrégation de défauts et le gonflement sous irradiation.

Conclusions

Notre investigation AIMD démontre que les énergies de déplacement seuil dans le Si et Ge massifs sont fortement anisotropes, la direction [110] étant la plus résistante. Dans le SL Si/Ge, les atomes de Si présentent une résistance accrue le long des directions [111] et [001], tandis que les atomes de Ge maintiennent des seuils de type massif sauf pour une valeur réduite le long de [110]. Les énergies de formation des défauts confirment que les défauts ponctuels sont plus difficiles à créer dans le SL, et les barrières de migration indiquent une mobilité réduite des lacunes, surtout le long de la direction [111] la plus favorable. Ces effets combinés sous-tendent la tolérance supérieure aux rayonnements des super-réseaux Si/Ge, les rendant attractifs pour les dispositifs devant endurer des environnements radiatifs sévères.