低能电子激发诱导锗低温再结晶新路径的发现及其在半导体器件中的应用

（编辑推荐）本研究首次揭示了12 MeV氧离子辐照下锗(Ge)的非热再结晶机制，通过2.4 keV nm?1电子能量损失(Se)实现室温缺陷修复，突破了传统热退火(SHI)的温度限制。结合实验与分子动力学(MD)模拟，证实了锗中晶态-非晶态(c/a)相变的可逆性，为辐射损伤修复和温度敏感型Ge基器件制造提供了新策略。

　　

1 引言

锗(Ge)因其高载流子迁移率和低温掺杂特性，在光电探测器、纳米晶体管等领域备受关注。传统热退火面临掺杂剂扩散等问题，而本研究通过12 MeV氧离子辐照，首次实现了室温下仅依赖电子能量损失(S_e=2.4 keV nm^?1)的缺陷修复。这一发现突破了SHI（Swift Heavy Ion）技术需要高温的限制，为半导体制造提供了非热解决方案。

2 结果：结构与缺陷演化

2.1 RBS/C揭示的损伤恢复

卢瑟福背散射/沟道分析(RBS/C)显示，预损伤Ge（初始无序度f₀≈0.59）经12 MeV O离子辐照后，缺陷呈指数级减少，40 ions nm^?2时完全恢复晶态。而预非晶化Ge（f₀≈1.0）的恢复始于非晶层外围收缩，随后进入缓慢修复阶段，但无法完全复原。分子动力学(MD)模拟表明，初始缺陷浓度越高（45% vs 20%），恢复效率提升36.2%，但残留缺陷更多。

2.2 XRD相稳定性分析

X射线衍射(XRD)证实，2 MeV金离子造成的0.92%晶格应变在后续O离子辐照中完全松弛。静态德拜-沃勒因子(DW)分析显示，无序区域从完全非晶态(DW=0.0008)恢复至近晶态(DW≈1)。

2.3 MD模拟原子机制

MD模拟揭示了缺陷"口袋"重组机制：高浓度缺陷区域通过热峰(thermal spike)触发快速复合，但随辐照剂量增加，恢复速率因缺陷消耗而减缓。温度场模拟显示，离子路径局部可达熔点(1210 K)，但持续时间仅皮秒级。

3 讨论

3.1 室温电离诱导恢复机制

区别于传统SHIBIEC（SHI诱导外延结晶），12 MeV O离子的低S_e避免了非晶Ge中离子径迹形成。恢复过程存在临界注量(Φ₀=70 nm^?2)，此前以非晶层界面收缩为主，此后转为整体损伤修复。

3.2 恢复截面的材料依赖性

恢复截面(σ_r)分析显示：预损伤Ge的σ_r达0.1147 nm²，比完全非晶态(0.0046 nm²)高25倍。跨材料比较发现，σ_r与熔点(T_M)呈反比，锗因低熔点(938°C)具有最优恢复效率。

4 总结

该研究建立了锗中电子能量损失与缺陷恢复的定量关系，首次实现室温下c/a相变逆转。2.4 keV nm^?1的S_e可替代高温退火，为Ge基辐射硬化器件和锂离子电池阳极制造开辟了新路径。MD模拟与实验的吻合证实了热峰驱动缺陷复合的原子机制。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论；专业术语如SHIBIEC、S_e等均保留原文表述；分子动力学部分引用自作者E. Zarkadoula的模拟结果；实验数据来自IFIN-HH实验室的RBS/C和XRD实测。）