La compréhension des défauts atomiques formés sous irradiation dans les semi-conducteurs est cruciale pour relever les défis de l’industrie microélectronique, notamment dans les applications spatiales. Ces environnements extrêmes exposent les matériaux à des radiations qui provoquent des cascades de déplacements atomiques, créant des défauts structuraux pouvant compromettre les performances des dispositifs. Afin d’anticiper les défaillances, prolonger la durée de vie des systèmes embarqués et garantir la fiabilité des missions, une stratégie de modélisation multi-échelle a été développée, s’appuyant sur des méthodes atomiques avancées. Ces travaux visent à concevoir des matériaux et dispositifs plus robustes face aux radiations.

La modélisation commence par l’étude des cascades de déplacements à l’aide de la dynamique moléculaire. Cette méthode simule en temps réel les interactions entre atomes lors de l’impact d’une particule énergétique, permettant de quantifier les déplacements et d’observer la formation initiale de défauts tels que les lacunes ou les interstitiels. Ces simulations révèlent les mécanismes fondamentaux des collisions atomiques et les configurations transitoires de défauts.

Ensuite, pour modéliser le vieillissement des cascades de déplacements sur des échelles de temps plus longues, nous utilisons le kinetic Activation-Relaxation Technique (kART). Cette approche permet de simuler la diffusion et l'évolution des défauts sur plusieurs ordres de grandeur temporels, identifiant ainsi les mécanismes de relaxation et de guérison des matériaux. Cela est particulièrement crucial pour prédire la stabilité des défauts résiduels après irradiation.

Enfin, la caractérisation fine des défauts formés et de leurs propriétés électroniques est réalisée grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La DFT fournit une description précise des interactions électroniques au sein des défauts, permettant d’évaluer leur impact potentiel sur les propriétés macroscopiques des matériaux, comme la conductivité ou la résistance aux radiations.

Nous avons comparé le comportement du Si, Ge, et SiGe avec celui du GaN. Ce dernier se distingue par une capacité de self-healing remarquable : bien que de nombreux défauts soient initialement créés sous irradiation, la phase de relaxation élimine efficacement la plupart d’entre eux. Cette propriété unique découle de la forte densité et de la compacité de la structure cristalline du GaN, qui favorisent le réarrangement atomique. Ces résultats font du GaN un matériau de choix pour des applications dans des environnements soumis à de fortes radiations, comme les satellites ou les systèmes embarqués dans les sondes spatiales.