一种半导体材料离位阈能的计算方法

1.本发明涉及微电子和器件技术领域，具体而言，涉及一种半导体材料离位阈能的计算方法。


背景技术：

2.半导体器件的工作环境非常复杂，当半导体器件位于高能粒子辐照等极端环境中时，由于高能粒子辐照能够造成半导体器件微观结构的位移损伤或电离损伤，严重影响半导体器件的工作稳定性和服役寿命。因此，需要研发新型抗高能粒子辐照的半导体器件来应对极端环境，而对高能粒子与半导体材料之间相互作用的微观机理进行深入的理解是研发抗高能粒子辐照的半导体器件的基础。目前，对高能粒子与半导体材料之间相互作用微观机理的研究主要通过试验研究和计算机模拟来进行，但是试验研究在理解损伤过程的微观机理方面受到诸多限制，影响微观机理研究的效率，而计算机模拟具有较高的效率。
3.其中，高能粒子对半导体材料造成的损伤绝大多数是位移损伤，而电离损伤占比很小，并且位移损伤的主要衡量指标是离位阈能，一般来说，半导体材料的离位阈能越大，其抗高能粒子辐射的能力也越强。因此，亟需一种快速、准确计算半导体材料离位阈能的方法，对半导体材料的抗辐射能力进行高效评估，促进抗辐射半导体材料的开发。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何提供一种快速、准确计算半导体离位阈能的方法，对半导体材料的抗辐射能力进行高效评估。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种半导体材料离位阈能的计算方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、构建由半导体材料组成的超胞，并对其结构进行优化，使各原子均处于各自的平衡位置；
7.步骤s2、选取需要计算离位阈能的原子作为目标原子，以目标原子为中心，得到半径为1埃的球面，在球面上选取n个均匀分布的几何点，然后从球心出发分别与球面上的n个几何点进行连线，以从球心到球面几何点的方向作为目标原子的速度方向；
8.步骤s3、选取其中一个速度方向，设定1ev的初始动能，进行目标原子运动的分子动力学模拟，然后逐渐增加目标原子的动能，并重复分子动力学模拟，直至目标原子产生frankel缺陷，记录过程中最后一个未产生frankel缺陷的动能和第一个产生frankel缺陷的动能，则目标原子沿此速度方向的离位阈能即在此范围内；
9.步骤s4、计算最后一个未产生frankel缺陷动能和第一个产生frankel缺陷动能的平均值，并以所述平均值进行目标原子运动的分子动力学模拟，并根据是否产生frankel缺陷逐步增加或减小动能，重复上述过程，逐步缩小能够产生frankel缺陷和不能产生frankel缺陷之间的动能差值，直至达到设定的计算精度，最终得到的能够产生frankel缺陷所对应的动能，即为目标原子沿该速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
10.步骤s5、分别以不同的速度方向重复步骤s3和s4，计算目标原子沿不同速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
11.步骤s6、对得到的数据进行分析，其中，对沿n个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的数值进行比较，最小值则为目标原子的离位阈能，而沿n个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的平均值则为平均离位阈能。
12.优选地，所述半导体材料包括si、sic、gaas或gan。
13.优选地，所述步骤s1中，所述超胞中的原子数量≥5000个。
14.优选地，所述步骤s1中，采用分子动力学程序lammps，基于bfgs算法对所述半导体材料的原子结构进行弛豫、优化，使所述半导体材料中每个原子受力均为零。
15.优选地，所述步骤s2中，200≤n≤300。
16.优选地，所述步骤s3中，每次增加10ev的动能。
17.优选地，所述步骤s4中，逐步缩小增加的动能，以达到逐步缩小能够产生frankel缺陷和不能产生frankel缺陷之间的动能差值的目的。
18.优选地，所述半导体材料离位阈能的计算方法还包括对目标原子沿不同速度方向的离位阈能进行分析，寻找半导体材料中离位阈能在不同速度方向上的规律。
19.本发明通过仿真模拟的方法构建半导体材料的超胞，并以目标原子为球心均匀选择多个速度方向，通过逐步增加动能的方式，计算目标原子沿不同速度方向的离位阈能范围，然后多次重复逐步达到设定的精度，并能根据不同速度方向比较得到目标原子的离位阈能和平均离位阈能数据，避免传统半导体材料离位阈能中需要反复尝试、试验周期长，效率低的问题，也减少了半导体材料的损耗。
附图说明
20.图1为本发明实施例中半导体材料离位阈能的计算方法的流程图；
21.图2为本发明实施例中si原子组成的晶胞结构示意图；
22.图3为本发明实施例中si原子在不同平面内离位阈能变化情况示意图；
23.图4为本发明实施例中si原子沿不同晶向离位阈能分析图。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
26.本发明实施例提供一种半导体材料离位阈能的计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
27.步骤s1、构建由半导体材料组成的超胞，并对其结构进行优化，使各原子均处于各自的平衡位置；
28.步骤s2、选取需要计算离位阈能的原子作为目标原子，以目标原子为中心，得到半
径为1埃的球面，在球面上选取n个均匀分布的几何点，然后从球心出发分别与球面上的n个几何点进行连线，以从球心到球面几何点的方向作为目标原子的速度方向；
29.步骤s3、选取其中一个速度方向，设定1ev的初始动能，进行目标原子运动的分子动力学模拟，然后逐渐增加目标原子的动能，并重复分子动力学模拟，直至目标原子产生frankel缺陷，记录过程中最后一个未产生frankel缺陷的动能和第一个产生frankel缺陷的动能，则目标原子沿此速度方向的离位阈能即在此范围内；
30.步骤s4、计算最后一个未产生frankel缺陷动能和第一个产生frankel缺陷动能的平均值，并以所述平均值进行目标原子运动的分子动力学模拟，并根据是否产生frankel缺陷逐步增加或减小动能，重复上述过程，逐步缩小能够产生frankel缺陷和不能产生frankel缺陷之间的动能差值，直至达到设定的计算精度，最终得到的能够产生frankel缺陷所对应的动能，即为目标原子沿该速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
31.步骤s5、分别以不同的速度方向重复步骤s3和s4，计算目标原子沿不同速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
32.步骤s6、对得到的数据进行分析，其中，对沿n个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的数值进行比较，最小值则为目标原子的离位阈能，而沿n个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的平均值则为平均离位阈能。
33.通过仿真模拟的方法构建半导体材料的超胞，并以目标原子为球心均匀选择多个速度方向，通过逐步增加动能的方式，计算目标原子沿不同速度方向的离位阈能范围，然后多次重复逐步达到设定的精度，并能根据不同速度方向比较得到目标原子的离位阈能和平均离位阈能数据，避免传统半导体材料离位阈能中需要反复尝试、试验周期长，效率低的问题，也减少了半导体材料的损耗。
34.其中，半导体材料包括si、sic、gaas或gan。si、sic、gaas和gan均是常用的半导体材料，均可通过本发明提供的方法计算离位阈能。
35.步骤s1中，构建由半导体材料组成的超胞，并对其结构进行优化，使各原子均处于各自的平衡位置，其中，超胞中原子数量超过5000个以上，能够减少尺寸效应所带来的误差。
36.具体地，在linux系统环境下，采用分子动力学程序lammps，基于bfgs算法对所述半导体材料的原子结构进行弛豫、优化，使所述半导体材料中每个原子受力均为零，即此时半导体材料中的原子均处于各自的平衡位置。
37.步骤s2中，选取需要计算离位阈能的原子作为目标原子，以目标原子为中心，得到半径为1埃的球面，在球面上选取n个均匀分布的几何点，然后从球心出发分别与球面上的n个几何点进行连线，以从球心到球面几何点的方向作为目标原子的速度方向，其中200≤n≤300。n的取值越小，则得到的离位阈能数据越粗略，n的取值越大，则得到的离位阈能数据越精确，但计算量也会相应上升，为了平衡离位阈能数据的精确性和计算量，选取n的值在200-300之间。
38.步骤s3中，选取其中一个速度方向，设定1ev的初始动能，进行目标原子运动的分子动力学模拟，然后逐渐增加目标原子的动能，并重复分子动力学模拟，直至目标原子产生frankel缺陷，记录过程中最后一个未产生frankel缺陷的运动速度和第一个产生frankel缺陷的动能，则目标原子沿此速度方向的离位阈能即在此范围内。
39.具体地，选取其中一个速度方向，设定1ev的初始动能，进行目标原子运动的分子动力学模拟，在初始动能较小的情况下，目标原子难以产生frankel缺陷，然后逐渐增加目标原子的动能，每次增加10ev，并重复分子动力学模拟，直至目标原子产生frankel缺陷，而最后一个未产生frankel缺陷的运动速度和第一个产生frankel缺陷的动能之间的范围即为目标原子沿此速度方向的离位阈能的范围。
40.示例性地，当选去其中一个速度方向时，设定1ev的初始动能，目标原子未产生frankel缺陷，逐渐增加10ev目标原子的动能，重复分子动力学模拟，如果在动能为21ev时目标原子未产生frankel缺陷，但动能为31ev时目标原子产生了frankel缺陷，则说明目标原子沿此速度方向的离位阈能在21ev-31ev之间。
41.步骤s4中，计算最后一个未产生frankel缺陷动能和第一个产生frankel缺陷动能的平均值，并以所述平均值进行目标原子运动的分子动力学模拟，并根据是否产生frankel缺陷逐步增加或减小动能，重复上述过程，逐步缩小能够产生frankel缺陷和不能产生frankel缺陷之间的动能差值，直至达到设定的计算精度，最终得到的能够产生frankel缺陷所对应的动能，即为目标原子沿该速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量。并且为了达到设定的精度，在重复过程中，逐步缩小增加的动能。
42.示例性地，当目标原子最后一个未产生frankel缺陷动能为21ev，第一个产生frankel缺陷动能为31ev时，计算二者的平均值为26ev，使用26ev的动能进行目标原子运动的分子动力学模拟，若目标原子产生了frankel缺陷，则逐步减小动能，再次进行目标原子运动的分子动力学模拟，反之，则逐步增加动能。且在此过程中，逐步缩小增加动能的幅度，从而逐步缩小离位阈能的范围，提高离位阈能的精度。
43.另外，半导体材料离位阈能的计算方法还包括对目标原子沿不同速度方向的离位阈能进行分析，寻找半导体材料中离位阈能在不同速度方向上的规律。对得到的结果进行分析可以得到半导体材料中目标原子在不同速度方向上的离位阈能存在的规律，为抗高能粒子辐射器件的研制提供思路和方向。
44.下面结合具体实施例说明半导体材料离位阈能的计算方法：
45.实施例
46.1.1、构建由8000个si原子组成的超胞，其中图1为由8个si原子组成的晶胞结构，在linux系统环境下，采用分子动力学程序lammps，基于bfgs算法对所述半导体材料的原子结构进行弛豫、优化，使所述半导体材料中每个原子受力均为零；
47.1.2、选取超胞中的一个原子作为目标原子，以目标原子为中心，得到半径为1埃的球面，在球面上选取240个均匀分布的几何点，然后从球心出发分别与球面上的240个几何点进行连线，以从球心到球面几何点的方向作为目标原子的速度方向，则共有240个速度方向；
48.1.3、选取其中一个速度方向，设定1ev的初始动能，进行目标原子运动的分子动力学模拟，然后逐渐增加目标原子的动能，每次增加10ev，并重复分子动力学模拟，直至目标原子产生frankel缺陷，记录过程中最后一个未产生frankel缺陷的运动速度和第一个产生frankel缺陷的动能，则目标原子沿此速度方向的离位阈能即在此范围内；
49.1.4、计算最后一个未产生frankel缺陷动能和第一个产生frankel缺陷动能的平均值，并以所述平均值进行目标原子运动的分子动力学模拟，并根据是否产生frankel缺陷
逐步增加或减小动能，重复上述过程，逐步缩小能够产生frankel缺陷和不能产生frankel缺陷之间的动能差值，直至达到设定的计算精度，最终得到的能够产生frankel缺陷所对应的动能，即为目标原子沿该速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
50.1.5、分别以不同的速度方向重复步骤1.3和1.4，计算目标原子沿不同速度方向离开自身位置形成缺陷所需的最小能量；
51.1.6、对得到的数据进行分析，其中，对沿240个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的数值进行比较，最小值则为目标原子的离位阈能，而沿240个不同速度方向中目标原子自身位置形成缺陷所需的最小能量的平均值则为平均离位阈能；
52.1.7、对目标原子沿不同速度方向的离位阈能进行分析，寻找半导体材料中离位阈能在不同速度方向上的规律。
53.其中，图3为si原子在xoy、yoz和zox平面内离位阈能随方向变化关系，从图中可以看出，在三个平面内离位阈能的规律大致相同，以xoy平面为例，45
°
方向上离位阈能为10ev，而在75
°
方向上的离位阈能则为25ev，相对而言，原子在45
°
方向上更容易形成缺陷。
54.图4为沿不同晶向的离位阈能图，从图中可以看出，si在《100》、《101》、《110》和《111》四个方向上存在各向异性，其中，在单晶si中，si原子沿《101》和《110》方向的离位阈能较小，而沿《100》和《111》方向和二者连线方向的离位阈能较大。
55.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。