]> hackdaworld.org Git - lectures/latex.git/blob - talks/emrs2012.txt
removed openstack, i didn't do much!
[lectures/latex.git] / talks / emrs2012.txt
1 slide 1
2
3 thank you very much and welcome everybody.
4 as the title suggests / as already mentioned ...
5 ... i am going to present theoretical results of investigations
6 of defect structures and mobilities in silicon.
7
8 slide 2
9
10 of course there is an experimental / practical motivation,
11 which is the ion beam synthesis (IBS) of thin films of epitaxial 3C-SiC in Si.
12 IBS consists of  high-dose C implantation in Si followed by an annealing step,
13 which, if properly done, results in buried homogeneous thin films of SiC
14 as can bee seen in the XTEM image.
15 however, the precipitation in the first step is not yet fully understood.
16
17 this will be adressed in this study.
18 after sketching controversial ideas of the mechanism of precipitation,
19 the utilized simulation techniques are explained
20 followed by a summary of the most important results of these calculations.
21
22 slide 3
23
24 one assumed mechanism is schematically displayed here.
25 incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells on regular Si lattice sites.
26 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
27 indicated by dark contrasts in the otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
28 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
29 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
30 and precipitation occurs.
31 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
32 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
33 the excess silicon atoms are released in the silicon host,
34 since there is more space.
35 #it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
36
37 slide 4
38
39 however, controversial findings exist in the literature.
40 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
41 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
42 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
43 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
44 investigations of the annealing behavior of implantations at low and high
45 temperatures show high and almost zero carbon diffusion respectively.
46 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
47 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
48 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
49 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
50 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
51 accompanied by strain relaxation.
52
53 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
54 instead of interstitial carbon.
55
56 slide 6
57
58 to understand the precipitation mechanism
59 in the context of these controversial results
60 atomistic simulations are performed.
61
62 HIER WEITER
63
64 in md, a system of n particles is described
65 by numerically integrating newtons equations of motion.
66 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
67 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
68
69 roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
70 and nearly a quater of a million for the precipitation simulations.
71 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
72 with a time step of 1 fs.
73 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
74 developed by erhart and albe.
75 the short range character is achieved by a cutoff function,
76 which drops the interaction to zero inbetween the first and next neighbor atom.
77 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
78 realized by the berendsen thermostat and barostat.
79
80 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
81 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
82 electron density, which minimizes the energy,
83 i.e. it has the variational property.
84 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
85 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting electrons to
86 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
87 however formally exact by introducing an energy functional,
88 which accounts for exchange and correlation.
89 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
90
91 the vasp code is used for this purpose.
92 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
93 an energy cut-off of 300 eV is employed.
94 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
95 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
96 sampling in k space is restricted to the gamma point.
97 the supercell consists of 216 atoms.
98
99 slide 8
100
101 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon.
102 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
103 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
104 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
105
106 next to the structure, defects can be characterized by the formation energy,
107 which is defined by this formula.
108
109 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
110 the difference of the formation energy of the defect combination and
111 the isolated defects.
112 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
113 configurations whereas the binding energy for non-interacting isolated defects
114 approaches zero.
115
116 migration barriers from one stable configuration into another
117 are obtained by the constrained relaxation technique.
118 the diffusing atom is displaced stepwise from the starting
119 to the final position and relaxation is only allowed
120 perpendicular to the displacement direction.
121 each step the configurational energy is recorded.
122
123 slide 9
124
125 this has been used to investigate, amongst others,
126 carbon interstitial defects in silicon.
127 both methods provide the correct order of the formation energies
128 and find the 100 db to be the ground state.
129 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
130 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
131 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
132 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
133 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
134 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
135 relaxing into the 110 db configuration.
136 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
137 the wrong description is not posing a serious limitation.
138 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
139 has the lowest formation energy for both methods, although, 
140 it is drastically underestimated in the empirical approach.
141 regarding the problem addressed in this study, this might constitute a problem.
142 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
143 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
144
145 slide 10
146
147 as a next step, the Ci mobility is determined by the quantum mechanical method.
148 two of the intuitively guessed migration pathways of a carbon 00-1 db are shown.
149
150 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
151 crossing the bc configuration.
152 due to symmetry it is sufficient to consider only the first half
153 of the transition path.
154 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
155 actually another barrier exists to reach a ground-state configuration.
156
157 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
158 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
159 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
160 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
161
162 slide 11
163
164 the situation changes completely for the classical description.
165 path number one, shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
166 next to the fact, that this is a different pathway,
167 the barrier is overestimated by a factor of 2.4.
168
169 moreover, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
170 relaxing into the 110 db configuration.
171 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
172 likewise relaxes into the 110 db structure without constraints.
173
174 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
175 this migration is displayed here,
176 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
177 configuration.
178 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
179 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
180 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
181 migration path in the ea description.
182 and after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
183
184 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
185 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
186
187 slide 12
188
189 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
190 of possible point defects and respective combinations.
191 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
192 and further types of defects,
193 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
194 the investigations are restricted to dft calculations.
195 energetically favorable and unfavorable configurations,
196 determined by the binding energies,
197 can be explained by stress compensation and increase respetively.
198
199 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
200 favorable.
201 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
202 however, a high migration barrier is necessary to obtain this configuration
203 in contrast to the second most favorable configuration,
204 which additionally is represented 2 times more often in the systematically
205 investigated configuration space.
206
207 this suggests that agglomeration of Ci indeed is expected, but no C clustering.
208
209 slide 13
210
211 this is reinforced by the plot of the binding energy of dumbbells
212 separated along the 110 direction.
213 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
214 however, the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
215 between the two lowest separation distances.
216
217 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
218
219 slide 14
220
221 if a vacancy is created next to the Ci defect,
222 a situation absolutely conceivable in ibs,
223 structures are obtained, which exhibit low migration barriers
224 for the transition into the Cs configuration.
225 in contrast, high barriers are necessary for the reverse process.
226
227 based on this, a high probability of stable Cs configurations must be concluded.
228
229 slide 15
230
231 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i.
232 the most favorable configuration is obtained for
233 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain.
234 this configuration is still less favorable than the Ci 100 ground state.
235 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
236 indicating a low capture radius.
237 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
238
239 moreover, a low transition barrier is found from the ground state
240 into the configuration of separated defects.
241 the barrier is even smaller than migration barrier for carbon.
242 in addition, the low migration barrier of interstitial silicon,
243 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
244
245 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and Si_i,
246 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
247 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
248
249 slide 16
250
251 this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
252 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
253 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
254 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
255
256 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
257 to structural formation increases, which results in a spatial separation,
258 even for defects located within the capture radius.
259
260 !!!
261 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
262 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
263 of precipitation due to its high probability of incidence.
264
265 slide 17
266
267 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
268 by successive insertion of 6000 C atoms,
269 the number necessary to form a  minimal precipitate,
270 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
271 insertion is realized at constant temperature.
272 due to the high amount of particles,
273 the classical potential must be used.
274 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
275 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
276 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
277 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
278 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
279 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
280
281 slide 18
282
283 the radial distribution function of simulations at 450 dc,
284 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
285
286 for the low C concentration simulation,
287 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
288 which is obvious by comparing it to the
289 reference distribution generated by a single Ci defect.
290 the second peak is an artifact due to the cut-off.
291 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
292 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
293 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
294 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
295 which is represented by nonzero values in the correlation function.
296
297 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
298 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
299
300 turning to the high C concentration simulations,
301 a high amount of strongly bound C-C bonds
302 as in graphite or diamond is observed.
303 due to increased defect and damage densities 
304 defect arrangemnets are hard to categorize and trace.
305 only short range order is observed.
306 and, indeed, by comparing to other distribution data,
307 an amorphous SiC-like phase is identified.
308
309 slide 19
310
311 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
312 neither agglomeration of C interstitials
313 nor a transition into SiC can be identified.
314
315 slide 20
316
317 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
318
319 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general,
320 which results in a slow phase space propagation due to
321 a large amount of local minima separated by large energy barriers.
322 accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on, exist
323 to bypass the time scale problem while retaining proper thermodynamic sampling.
324
325 however, in addition, the overestimated diffusion barriers,
326 due to the short range character of the potential,
327 intensify this problem, which I termed:
328 potential enhanced slow phase space propagation.
329
330 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
331 without possible corrections.
332 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
333 are assumed to be not sufficient.
334 anyways, in this case,
335 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
336
337 slide 21
338
339 and indeed, promising changes are observed by comparing,
340 again the radial distribution data for temperatures up to 2050 dc.
341 first of all, the cut-off artifact disappears.
342 more important, a transition into a clearly Cs dominated structure takes place,
343 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks of Cs.
344
345 the rising Si-Si peak is due to stretched Si-C-Si structures
346 along a 110 direction.
347
348 the C-C next neighbor pairs are reduced,
349 which is mandatory for SiC formation.
350 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifted to higher distances,
351 due to a decrease of interstitial carbon combinations accompanied by an
352 increase in interstitial and substitutional as well as pure substitutional
353 combinations.
354 increasing values in this range
355 correspond to bonds of Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
356
357 slide 22
358
359 to conclude, stretched coherent structures are directly observed.
360 therefore, it is expected that Cs is extensively involved
361 in the precipitation process for implantations at elevated temperatures.
362
363 the emission of Si_i serves several needs:
364 as a vehicle to rearrange stable Cs,
365 as a building block for the surrounding Si host or further SiC formation.
366 and for strain compensation either at the Si/SiC interface
367 or in the stretched SiC structure, which, again,
368 was diretly observed in simulation.
369
370 this perfectly explains the results of the annealing experiments
371 stated in the beginning of this talk.
372 at low temperatures highly mobile Ci
373 whereas at high temperatures stable Cs configurations are formed.
374
375 thus, it is further concluded that high temperatures are necessary to model
376 ibs conditions, which are far from equilibrium.
377 the high temperatures deviate the system from thermodynamic equilibrium
378 enabling Ci to turn into Cs.
379
380 slide 23
381
382 to summarize and conclude ...
383 point defects were investigated by both methods.
384 the interstitial carbon mmigration path was identified.
385 it turned out that the diffusion barrier is drastically overestimated
386 within the ea description.
387
388 combinations of defects were investigated by first principles methods.
389 the agglomeration of point defects is energetically favorable.
390 however, substitutional carbon arises in all probability.
391 even transitions from the ground state are very likely to occur.
392
393 concerning the precipitation simulations, the problem of
394 potential enhanced slow phase space propagation was discussed.
395 high temperatures are assumed necessary to simulate ibs conditions.
396 at low temperatures a dumbbell dominated structure is obatined
397 whereas 
398 it is expected that
399 Stretched structures of SiC were observed at elevated temperatures.
400 it is thus concluded that
401 substitutional carbon is heavily involved in the precipitation process.
402 the role of the Si_i was outlined.
403
404 in total, these results suggest,
405 that cubic SiC precipitation occurs by successive agglomeration of Cs.
406
407 slide 24
408
409 finally, I would like to thank all of the people listed on this slide,
410 categorized by location.
411
412 thank you for your attention!
413
414
415
416
417
418 slide X polytypes
419
420 although the local order of the silicon and carbon atoms
421 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
422 more than 250 different polytypes exist,
423 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
424 identical, close-packed SiC bilayers,
425 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
426 the 3c polytype is the only cubic polytype.
427
428 different polytypes exhibit different properties,
429 which are listed in the table
430 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
431 SiC clearly outperforms silicon.
432 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
433 break down field and saturation drift velocity.
434 additionally, these properties are isotropic.
435 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
436 high-performance electronic devices.
437
438 slide X silicon self interstitials
439
440 in the following, structures and formation energies
441 of silicon self-interstitial defects are shown.
442 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
443 which are within the same order of magnitude.
444 however, discrepancies exist.
445 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
446 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
447 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
448 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
449 a known problem, which arises due to the cut-off
450 underestimating the closely located second next neighbors.
451 the hexagonal defect is not stable
452 opposed to results of the authors of the potential.
453 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
454 begins to move towards a more favoarble position,
455 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
456 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
457 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
458 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
459 tetrahedral configuration.
460 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
461 in the following investigations of defect combinations.
462
463 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
464
465 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
466 obtained by both methods.
467 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
468 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
469 of course, the classical potential is not able to reproduce
470 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
471
472 more important, the bc configuration is found to constitute
473 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
474 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
475 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
476 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
477 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
478 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
479