铝、硼与n型杂质缺陷复合体在锗中的电学活性及其对增强锗基器件性能的启示

本研究通过密度泛函理论计算揭示了Al/B与n型杂质(N/P/As/Sb)在锗中形成的缺陷复合体(如AlGe Pi 、Bi AsGe 等)的电学特性，发现AlGe Pi 等复合体可形成深能级缺陷，而BGe Sbi 则产生浅施主能级。该研究为调控锗基MOSFETs的掺杂工艺提供了理论依据，对开发高性能锗基电子器件具有重要意义。

　　

在半导体材料领域，锗(Ge)因其优异的载流子迁移率被视为替代硅(Si)的潜力材料，特别是在金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)应用中。然而，要实现15nm节点的n型超浅结，需要将掺杂浓度提高到10²⁰
cm^-3
，这导致缺陷复合体大量形成，严重影响器件性能。目前对铝(Al)、硼(B)与n型杂质(N/P/As/Sb)在锗中形成的缺陷复合体的电学特性仍缺乏系统认知。

为攻克这一难题，研究人员采用混合泛函密度泛函理论(HSE06)系统研究了64原子超胞中各类缺陷复合体的形成机制。通过维也纳从头算模拟包(VASP)计算，结合投影缀加波(PAW)方法，在400eV截断能和2×2×2 k点网格条件下，精确预测了缺陷的形成能、结合能及电荷态跃迁能级。

在"3.1.铝与n型原子缺陷复合体"部分，研究发现Al_Ge
P_i
的形成能最低(5.13eV)，而Al_Ge
N_i
最高(11.66eV)。键长分析显示Al-N键引起显著晶格畸变，而Al-P键更稳定。电子结构分析表明Al_Ge
N_i
产生深受主能级(E_V
+0.20eV和E_V
+0.44eV)，而Al_i
N_Ge
则呈现双施主特性。

"3.2.硼与n型原子缺陷复合体"部分揭示B_Ge
P_i
的形成能仅5.40eV，是最稳定的缺陷之一。特别值得注意的是，B_Ge
Sb_i
在导带底(CBM)下方0.08eV处形成浅施主能级，可在室温下有效提供载流子。相比之下，B_Ge
N_i
因高形成能(11.90eV)而难以稳定存在。

研究结论指出，Al与P/As形成的缺陷复合体主要产生深能级，可能成为载流子复合中心；而B与Sb的相互作用则产生浅施主能级，有利于n型掺杂。这些发现为精确控制锗中的缺陷工程提供了理论指导，特别是为开发高性能锗基MOSFETs的掺杂工艺优化提供了重要依据。该研究通过揭示不同杂质组合的电学活性差异，为未来锗基器件的性能提升和可靠性改进指明了方向。