《Vascular Diseases》：Practical survey on the use of herbal medicine by patients with systemic sclerosis
编辑推荐：
本研究采用分子动力学模拟，探究不同沉积温度和晶体取向对Si0.5Ge0.5薄膜生长的影响，发现高温下Ge(100)基底薄膜晶格质量更优，位错密度降低，应力分布均匀。
Jianan Xie|Tao Lin|Cailin Wang
西安工业大学自动化与信息工程学院，中国西安 710048
摘要
在本研究中，采用分子动力学模拟方法研究了Si0.5Ge0.5薄膜在Ge基底上的沉积过程，重点探讨了不同沉积温度和晶体取向对薄膜性能的影响。详细讨论了晶体结构、位错、原子应力以及表面形貌的演变过程。结果表明，由于晶格失配，SiGe薄膜同时包含立方金刚石和六方金刚石晶体结构，并在界面处形成堆垛缺陷。薄膜内部也形成了位错，这些位错有助于缓解应力。对比分析表明，在相同的沉积条件下，500–650°C温度范围内沉积在Ge (100)基底上的SiGe薄膜具有更大的临界厚度和更优异的晶体质量。
引言
近年来，IV族基Ge材料逐渐成为多功能集成器件的关键材料体系[1]，[2]，这得益于它们优异的电学和光学性能以及与硅基CMOS工艺的良好兼容性[3,4]。在微电子设备领域，基于SiGe/Si异质结构的器件（如频率超过500 GHz的异质结双极晶体管[HBTs][5,6]、高电子迁移率晶体管[HEMTs][7]和共振隧穿二极管[RTDs][8]）展现了出色的性能，推动了高速电子技术的发展。在光电子器件领域[9]，Ge/SiGe多量子阱（MQW）结构通过应变工程实现了光调制器、光电探测器[10]和波导的单片集成，其光学响应范围从近红外延伸到太赫兹，具有广泛的应用潜力。此外，由于强自旋-轨道耦合和优异的电学可调性，Ge/SiGe量子阱已成为构建高保真度自旋量子比特的理想平台，为可扩展量子计算提供了重要支持[11]，[12]。
得益于对成分和厚度的精确控制，SiGe合金已成为外延异质结构的重要材料，多种生长技术（如超高真空化学气相沉积[CVD]、分子束外延[MBE]和等离子体增强CVD[PECVD]）被广泛用于其制备。然而，Si和Ge之间的晶格失配（约4.2%）严重限制了高Ge含量SiGe层的制备[16]。随着SiGe层厚度的增加，系统内部会积累应变能，一旦超过临界阈值，就容易产生位错和其他缺陷。此外，Si和Ge之间的热膨胀系数差异会导致薄膜中出现裂纹和残余应力，进一步降低器件的结构稳定性和光电性能。因此，如何同时提高SiGe中的Ge含量并有效控制应变和缺陷已成为实现高质量SiGe异质结构的关键挑战。
原子模拟技术，特别是经典分子动力学（MD），已被证明是研究外延生长过程中物理现象的重要工具。尽管MD通常不适用于模拟原子尺度的生长过程（其时间尺度通常在微秒到纳秒之间），这限制了其对实验沉积速率和粒子扩散过程的准确再现[17]，但温度加速动力学（TAD）[18]和晶格动力学蒙特卡罗（KMC）[19,20]等方法提供了更接近实际时间尺度的解决方案。尽管如此，最近的研究表明，在某些高温条件下，MD模拟仍能有效模拟表面生长过程并揭示原子级演变机制[21]。例如，Luis Martín-Encinar利用MD研究了Ge薄膜在Si基底上的沉积过程，揭示了岛屿结构的生长机制[22]。虽然MD无法直接再现实验时间尺度，但它仍能够捕捉薄膜生长过程中的关键原子级事件，如表面扩散、岛屿形成和位错演变。此外，通过调整模拟参数，MD模拟可以更好地模拟MBE生长过程。
在我们之前的研究中，我们提出了一种基于Ge/SiGe基底的短波长红光半导体激光器设计。要实现625 nm以下波长的红光发射，需要高Ga含量的GaInP量子阱，但这会加剧与GaAs基底的晶格失配。为了解决这个问题，我们提出了使用Ge/SiGe虚拟基底，并优化Ge成分和激光器结构设计，以减少与GaInP量子阱的晶格失配。模拟结果表明，这种结构可以实现620 nm波长的红光发射[23]。
基于此，本研究采用分子动力学模拟方法研究了Si0.5Ge0.5薄膜在具有(100)、(110)和(111)取向的Ge基底上的沉积过程，形成了Ge/SiGe异质结构。通过调整沉积温度并分析晶体类型、位错分布、应力分布和表面粗糙度，我们系统地探讨了晶体取向和沉积温度对SiGe薄膜生长行为的影响，为高质量Ge/SiGe虚拟基底（VS）的实验制备提供了理论支持。
部分摘录
沉积模型构建
使用大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）[24]对不同生长条件下的沉积过程进行了分子动力学模拟。构建了三种不同晶体取向（100）、(110)和(111)的Ge基底。图1展示了这些晶面的三维沉积模型，Z轴垂直于沉积表面。
Ge (100)/Si0.5Ge0.5异质结性能的研究
使用IDS函数分析了Ge/SiGe系统。图4显示了在不同温度下沉积在Ge (100)基底上的Si0.5Ge5薄膜中的晶体结构及其原子晶体结构比例的条形图。沉积的总原子数为20,000个，Si与Ge的原子比为1:1。总体而言，在不同的沉积温度条件下，SiGe薄膜中的大多数Si和Ge原子保持了与基底Ge原子相同的立方金刚石结构。
结论
本研究利用分子动力学模拟研究了Si0.5Ge5薄膜在具有(100)、(110)和(111)晶体取向的Ge基底上的沉积行为，重点关注不同沉积温度对结构演变的影响。结果表明，在不同温度下沉积在Ge基底上的SiGe薄膜表现出相似的结构演变趋势。在低温（300 °C）下，无序原子的比例较高
CRediT作者贡献声明
Cailin Wang：研究工作、资金获取。Jianan Xie：撰写初稿、软件开发、数据分析。Tao Lin：研究工作、资金获取
未引用参考文献
[3]; [4]; [5]; [6]; [19]; [20]; [27]; [28]; [29]; [32]; [33]; [36]; [37].
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62374133）、陕西省创新能力支撑计划项目（项目编号2023ZSJD-03）以及陕西省教育厅资助的科研计划项目（项目编号22JP051）的支持。
