Program McChasy pomaga badać defekty w półprzewodnikach do zastosowań specjalnych

Wizualizacja ułożenia atomów w azotku galu, zorientowana wzdłuż kierunku [0001] (tzw. oś c kryształu) z widocznym kanałem utworzonym między atomami. McChasy-1 czyta położenia atomów w takich niewielkich strukturach, nieznacznie je modyfikuje, uwzględniając wibracje termiczne, a dodatkowo odpowiednio przemieszcza, by odwzorować konkretny rodzaj defektu. Następnie do takiej struktury wpuszczany jest jon helu, a program dla każdego atomu liczy prawdopodobieństwo rozproszenia jonu pod zadanym kątem. Procedura jest powtarzana aż do ustalonej wcześniej głębokości w krysztale i dla dziesiątek tysięcy jonów helu. Źródło: NCBJ

Defekty struktury krystalicznej półprzewodników stosowanych w przemyśle jądrowym i kosmicznym mogą wpływać na pracę urządzeń, które są z nich zbudowane. Magistrant Instituto Superior Técnico w Portugalii we współpracy z naukowcami NCBJ, badał defekty powstające w azotku galu bombardowanym argonem. Istotnym elementem badań było wykorzystanie programu McChasy rozwijanego w Świerku.

Azotek galu (GaN) jest półprzewodnikiem, który pozwala tworzyć elektronikę działającą przy wysokim napięciu, w wysokiej temperaturze, a także w warunkach narażenia na różne formy promieniowania występującego np. w przestrzeni kosmicznej lub w reaktorach jądrowych. Aby wywoływać lub wzmacniać niektóre właściwości urządzeń opartych na GaN, często przeprowadza się implantację jonów. Pomimo swoich zalet, technika ta powoduje powstawanie defektów i naprężeń w materiale, co może utrudniać prawidłową pracę urządzenia i zmniejszać jego wydajność. Dokładny charakter tych defektów wciąż nie jest jednak do końca poznany.

Efekty implantacji jonów argonu (Ar) w GaN zbadał Luís Martins, magistrant Instituto Superior Técnico w ramach współpracy międzynarodowej Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Universidade de Lisboa. Promotorami jego pracy magisterskiej byli dr Katharina Lorenz z uczelni macierzystej młodego naukowca oraz dr Przemysław Jóźwik z Pracowni mikroanalizy jądrowej Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ. W komisji egzaminacyjnej zasiadł dr Cyprian Mieszczyński, kierownik Pracowni mikroanalizy jądrowej. To już druga praca magisterska powstała w ramach polsko-portugalskiej współpracy dotyczącej badania defektów. Ważną częścią wspólnych prac są symulacje Monte Carlo wykonywane w programie McChasy, który powstał w NCBJ w latach 90. XX wieku jako narzędzie do analizy danych eksperymentalnych kanałowania jonów.

Technikę kanałowania jonów wykorzystuje się do badania defektów w materiałach krystalicznych, np. półprzewodnikach. Defekty mogą powstawać np. wskutek oddziaływania materiału z szybkimi jonami, m.in. w kosmosie lub reaktorze jądrowym. W laboratorium możemy wykorzystać też akcelerator, w którym jony są przyspieszane do wysokiej energii, a następnie kierowane na próbkę materiału. Gdy jony uderzają w próbkę, mogą wybić atomy z ich normalnych pozycji, tworząc defekty w sieci krystalicznej materiału. Powstałe zmiany można następnie badać za pomocą różnych technik, takich jak mikroskopia transmisyjna z przeszukiwaniem (STEM), dyfrakcja rentgenowska (XRD) lub właśnie kanałowanie jonów (RBS/C), w którym ponownie bombarduje się materiał jonami przyspieszonymi do wysokiej energii, ale są to jony lekkie, np. wodoru lub helu.

"Lekkie jony praktycznie nie wybijają atomów z ich normalnych pozycji, lecz odbijają się od nich (rozpraszają) wskutek odpychania elektrostatycznego” - tłumaczy dr Przemysław Józwik, jeden z opiekunów pracy. "Jony rozproszone wstecz pod ustalonym kątem (zazwyczaj między 140° a 170°) trafiają do detektora, który analizuje ich energie, a my te energie umiemy przeliczyć na głębokość w materiale, na której doszło do rozproszenia. Jeśli odpowiednio zorientujemy naszą próbkę, to jony będą penetrowały materiał w kanałach utworzonych między atomami - stąd nazwa kanałowanie. W takim ułożeniu niewiele jonów rozprasza się wstecz i trafia do detektora. Jeśli jednak na drodze jonu pojawi się defekt, wówczas prawdopodobieństwo rozproszenia znacznie wzrośnie. Wciąż wiele jednak zależy od rodzaju defektu. W przypadku defektów punktowych (np. pojedynczych wybitych atomów blokujących kanały) do rozproszenia dochodzi natychmiast w miejscu napotkania defektu. Z kolei dyslokacje i pętle dyslokacyjne (to przykłady defektów złożonych) mają zdolność zaginania sąsiadujących kanałów, przez co skutecznie zaburzają trajektorie jonów, jednak do rozproszenia dochodzi głębiej, już po ominięciu defektu."

Wyzwaniem dla prawidłowej interpretacji wyników kanałowania jonów jest odseparowanie sygnałów pochodzących od rożnych rodzajów defektów. Program McChasy pomaga naukowcom w interpretacji otrzymanych danych i charakteryzacji różnych rodzajów defektów. Dzięki symulacjom w programie McChasy-1, Luís Martins poszerzył dotychczasowe ustalenia odnośnie rodzajów defektów powstających w GaN wskutek bombardowania jonami Ar. Okazało się, że wśród defektów powstających w tym materiale są nie tylko defekty punktowe, lecz także pętle dyslokacyjne. Dzięki symulacjom w programie McChasy mgr Martins wyznaczył również koncentracje obu rodzajów defektów w zależności od głębokości w materiale oraz oszacował przypuszczalny rozmiar pętli dyslokacyjnych. "Defekty złożone muszą być uwzględnione np. przy konstrukcji elektroniki działającej w warunkach narażenia na promieniowanie, gdyż ich obecność obniża chociażby przewodność elektryczną i upośledza układy scalone" - wyjaśnia dr Jóźwik. "Inżynierowie urządzeń przeznaczonych do pracy w przestrzeni kosmicznej czy reaktorze jądrowym muszą ocenić, czy dany materiał będzie wystarczająco wydajny w określonych warunkach pomimo defektów powstających w nim w trakcie użytkowania."

Naukowcy z NCBJ nadal rozwijają swoje oprogramowanie i udostępniają je międzynarodowej społeczności badawczej (https://old.ncbj.gov.pl/mcchasy). Program McChasy-1 jest udoskonalany poprzez dodawanie nowych modeli defektów krystalicznych. Rozwijana jest również niezależnie kolejna wersja programu, McChasy-2, dedykowana skomplikowanym strukturom defektów, pozyskiwanym dzięki dynamice molekularnej. McChasy-2 ma m.in. zdolność zaczytywania ogromnych plików z położeniami miliardów atomów. Uzyskane wyniki są bardziej realistyczne, ale używanie nowego kodu jest trudniejsze i wymaga znacznie większych mocy obliczeniowych.