基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法技术

本发明专利技术提供一种基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法，解决现有初始损伤存在着原子间势函数不够完善、仿真参数不够准确的问题，该方法包括：步骤一、获取势能函数并对其进行优化；步骤二、建立初始位移损伤模型，确定仿真参数；步骤三、进行初始损伤模拟前的弛豫过程；步骤四、进行初始损伤模拟；步骤五、多次模拟并取平均数值。该方法基于建立的初始损伤模型，从能量、组分、温度等变化因素下得到微观下缺陷演化行为，分析损伤机理，该方法为以后多尺度模拟工作提供理论支撑。法为以后多尺度模拟工作提供理论支撑。法为以后多尺度模拟工作提供理论支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法


[0001]本专利技术属于辐射位移损伤效应模拟领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法。

技术介绍

[0002]基于等离子体辅助分子束外延技术制成的高质量三元化合物半导体具有优异的性能，其研究近年来受到广泛关注。原子掺杂二元基体会产生巨大带隙弯曲、带隙能量直接降低等独特现象，从而实现和传统衬底Ge的晶格匹配，这些特性拓展了探测器和高效晶格匹配多结太阳能电池在航空航天领域的应用前景。然而，复杂空间环境中的电子、质子等高能粒子会对应用的半导体器件诱发体缺陷主导的位移损伤效应，这些粒子可以形成产生初始损伤的初级碰撞原子(即PKA)。经过一段时间后，稳定体缺陷以一定空间存在方式如点缺陷、团簇等最终影响到半导体器件的电学及机械性能。
[0003]近十几年来，以深能级瞬态谱为代表的实验技术广泛应用于缺陷能级信息的获取，该技术具有方便、简单、灵敏度高的优点。然而，由于初始损伤过程处于皮秒和纳米尺度，这些技术对观察整个过程存在一定局限性。相较之下，分子动力学模拟可以克服这些困难，且具有明显优势：1)能够基于不同原子间相互作用，从原子尺度上精确描述半导体和金属的初始损伤过程；2)容易从多角度分析过程，实现极端环境下模拟，可重复性高，避免无效资源产生。因此，通过分子动力学模拟可以有效开展三元化合物半导体初始位移损伤的研究，从能量、组分、温度等多角度分析损伤机理，获取有关缺陷的关键参数，为以后多尺度模拟工作提供帮助。但是，通过分子动力学模拟三元化合物半导体初始位移损伤的研究时，关于半导体初始位移损伤研究开展较少且主要集中于二元化合物，此时存在着原子间势函数不够完善、仿真参数不够准确及模拟过程细节尚存在不足等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决现有初始损伤存在着原子间势函数不够完善、仿真参数不够准确的问题，提供一种基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法。该方法基于建立的初始损伤模型，从能量、组分、温度等变化因素下得到微观下缺陷演化行为，分析损伤机理，该方法为以后多尺度模拟工作提供理论支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、获取势能函数并对其进行优化；
[0008]原子间相互作用的势能函数为能够精确描述长程力的Tersoff势和短程力的ZBL势的混合函数；
[0009]1.1)获取长程力的Tersoff势；
[0010][0011]其中，为原子之间的Tersoff势，由吸引势和排斥势两部分组成；f
c
(r
ij
)表示原子间的相互作用，对远距离的原子间相互作用有光滑作用；r
ij
表示原子间距离；b
ij
表示靶结构配位数的单调递减函数；f
R
(r
ij
)表示原子间的排斥作用；f
A
(r
ij
)表示原子间的吸引作用；f
R
(r
ij
)、f
A
(r
ij
)和f
c
(r
ij
)形式如下：
[0012]f
R
(r
ij
)＝A
ij
exp(
‑
λ
ij
r
ij
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]f
A
(r
ij
)＝
‑
B
ij
exp(
‑
μ
ij
r
ij
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0014][0015]其中，A
ij
为吸引势结合能；B
ij
为排斥对势的结合能；λ
ij
为吸引势的势能曲线梯度系数，μ
ij
为排斥势的势能曲线梯度系数；R、D表示与截断半径大小有关的可调量；
[0016]1.2)获取短程力的ZBL势；
[0017][0018][0019]其中，为短程力的ZBL势，r
ij
表示原子间距离；ε0为真空介电常数；e表示电子电荷量；Z
i
、Z
j
为原子序数；φ(x)表示屏蔽函数；a表示预定义半径；a0表示波尔半径；
[0020]1.3)获取Tersoff/ZBL混合势；
[0021][0022][0023][0024]其中，E表示混合势的总势能，V
ij
表示两原子之间的Tersoff/ZBL混合势，该混合势即为混合函数，也就是势能函数，a表示预定义半径，f
F
(r
ij
)表示费米函数，控制从Tersoff势转变到ZBL势的平滑性，A
F
为其中可调参数，r
c
为控制过渡发生的半径；
[0025]1.4)对步骤1.3)获取的势能函数进行优化，获取优化后的势能函数和总势能；
[0026]步骤二、建立初始位移损伤模型，确定仿真参数；
[0027]2.1)根据步骤一获取的混合势的总势能，基于已有的二元化合物半导体模型，由新原子随机替换已有原子建立初始位移损伤模型；
[0028]2.2)根据步骤2.1)获取的初始位移损伤模型，获取仿真参数；
[0029]所述仿真参数包括模型尺寸大小、晶格常数a0、初始碰撞原子参数、时间积分步长、能量点、组分点、温度点、模拟次数；
[0030]步骤三、进行初始损伤模拟前的弛豫过程；
[0031]对步骤二获取的初始位移损伤模型进行初始损伤模拟前的弛豫过程，达到热稳定结构；
[0032]步骤四、进行初始损伤模拟；
[0033]步骤三弛豫后初始位移损伤模型对三元化合物半导体进行初始损伤模拟，获取微观缺陷行为如演化过程的参数，得到缺陷数目随时间演化趋势和初始稳态缺陷数目；
[0034]步骤五、多次模拟并取平均数值；
[0035]重复步骤三至步骤四，进行多次模拟，对多次模拟的数值进行平均值求取，从而完成模拟。
[0036]进一步地，步骤2.2)中，拟定PKA能量在10keV以内的模型尺寸大小的范围为30
×
30
×
30到50
×
50
×
50，尺寸的基本单位为常温下即300K的晶格常数a0。
[0037]进一步地，步骤2.2)中，晶格常数a0通过60ps的恒温恒压系综得到。
[0038]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学模拟三元化合物半导体位移损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取势能函数并对其进行优化；原子间相互作用的势能函数为能够精确描述长程力的Tersoff势和短程力的ZBL势的混合函数；1.1)获取长程力的Tersoff势；其中，为原子之间的Tersoff势，由吸引势和排斥势两部分组成；f
c
(r
ij
)表示原子间的相互作用，对远距离的原子间相互作用有光滑作用；r
ij
表示原子间距离；b
ij
表示靶结构配位数的单调递减函数；f
R
(r
ij
)表示原子间的排斥作用；f
A
(r
ij
)表示原子间的吸引作用；f
R
(r
ij
)、f
A
(r
ij
)和f
c
(r
ij
)形式如下：f
R
(r
ij
)＝A
ij
exp(
‑
λ
ij
r
ij
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)f
A
(r
ij
)＝
‑
B
ij
exp(
‑
μ
ij
r
ij
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，A
ij
为吸引势结合能；B
ij
为排斥对势的结合能；λ
ij
为吸引势的势能曲线梯度系数，μ
ij
为排斥势的势能曲线梯度系数；R、D表示与截断半径大小有关的可调量；1.2)获取短程力的ZBL势；1.2)获取短程力的ZBL势；其中，为短程力的ZBL势，r
ij
表示原子间距离；ε0为真空介电常数；e表示电子电荷量；Z
i
、Z
j
为原子序数；φ(x)表示屏蔽函数；a表示预定义半径；a0表示波尔半径；1.3)获取Tersoff/ZBL混合势；1.3)获取Tersoff/ZBL混合势；
其中，E表示混合势的总...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祖军，贾同轩，薛院院，唐明华，焦仟丽，刘敏波，何宝平，马武英，盛江坤，董观涛，缑石龙，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：