2 \documentclass[landscape,semhelv]{seminar}
5 \usepackage[greek,german]{babel}
6 \usepackage[latin1]{inputenc}
7 \usepackage[T1]{fontenc}
12 \usepackage{calc} % Simple computations with LaTeX variables
13 \usepackage{caption} % Improved captions
14 \usepackage{fancybox} % To have several backgrounds
16 \usepackage{fancyhdr} % Headers and footers definitions
17 \usepackage{fancyvrb} % Fancy verbatim environments
18 \usepackage{pstricks} % PSTricks with the standard color package
27 \graphicspath{{../img/}}
29 \usepackage[setpagesize=false]{hyperref}
32 \usepackage{semlayer} % Seminar overlays
33 \usepackage{slidesec} % Seminar sections and list of slides
35 \input{seminar.bug} % Official bugs corrections
36 \input{seminar.bg2} % Unofficial bugs corrections
43 %\usepackage{cmbright}
44 %\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault}
45 %\usepackage{mathptmx}
51 \extraslideheight{10in}
56 % specify width and height
60 % shift it into visual area properly
61 \def\slideleftmargin{3.3cm}
62 \def\slidetopmargin{0.6cm}
64 \newcommand{\ham}{\mathcal{H}}
65 \newcommand{\pot}{\mathcal{V}}
66 \newcommand{\foo}{\mathcal{U}}
67 \newcommand{\vir}{\mathcal{W}}
70 \renewcommand\labelitemii{{\color{gray}$\bullet$}}
73 \newrgbcolor{si-yellow}{.6 .6 0}
74 \newrgbcolor{hb}{0.75 0.77 0.89}
75 \newrgbcolor{lbb}{0.75 0.8 0.88}
76 \newrgbcolor{lachs}{1.0 .93 .81}
86 Molekulardynamische Untersuchung\\
87 zum SiC-Ausscheidungsvorgang
92 \textsc{F. Zirkelbach}
115 \item SiC-Ausscheidungsvorgang
118 \item Details der MD-Simulation
119 \item Zwischengitter-Konfigurationen
120 \item Simulationen zum Ausscheidungsvorgang
121 \item SiC-Ausscheidungen in Si
123 \item Zusammenfassung und Ausblick
138 Eigenschaften von SiC:
141 \item gro"se Bandl"ucke (3C: 2.39 eV, 4H: 3.28 eV, 6H: 3.03 eV)
142 \item hohe mechanische Stabilit"at
143 \item gute Ladungstr"agermobilit"at
144 \item sp"ate S"attigung der Elektronen-Driftgeschwindigkeit
145 \item hohe Durchbruchfeldst"arke
146 \item chemisch inerte Substanz
147 \item hohe thermische Leitf"ahigkeit und Stabilit"at
148 \item geringer Neutroneneinfangquerschnitt
149 \item strahlungsresistent
155 \item Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochleistungsbauelemente
156 \item Optoelektronik (blaue LEDs), Sensoren
157 \item Kandidat f"ur Tr"ager und W"ande in Fusionsreaktoren
158 \item Luft- und Raumfahrtindustrie, Milit"ar
159 \item kohlenfaserverst"arkte SiC-Verbundkeramik
164 \begin{picture}(0,0)(-280,-150)
165 %\includegraphics[width=4cm]{sic_inverter_ise.eps}
168 \begin{picture}(0,0)(-280,-20)
169 %\includegraphics[width=4cm]{cc_sic_brake_dlr.eps}
182 SiC - \emph{Born from the stars, perfected on earth.}
186 Herstellung d"unner SiC-Filme:
188 \item modifizierter Lely-Prozess
190 \item Impfkristall mit $T=2200 \, ^{\circ} \text{C}$
191 \item umgeben von polykristallinen SiC mit
192 $T=2400 \, ^{\circ} \text{C}$
194 \item CVD Homoepitaxie
196 \item 'step controlled epitaxy' auf 6H-SiC-Substrat
197 \item C$_3$H$_8$/SiH$_4$/H$_2$ bei $1500 \, ^{\circ} \text{C}$
198 \item Winkel $\rightarrow$ 3C/6H/4H-SiC
199 \item hohe Qualit"at aber limitiert durch\\
202 \item CVD/MBE Heteroepitaxie von 3C-SiC auf Si
204 \item 2 Schritte: Karbonisierung und Wachstum
205 \item $T=650-1050 \, ^{\circ} \text{C}$
206 \item Qualit"at/Gr"o"se noch nicht ausreichend
210 \begin{picture}(0,0)(-245,-50)
211 \includegraphics[width=5cm]{6h-sic_3c-sic.eps}
213 \begin{picture}(0,0)(-240,-35)
214 \begin{minipage}{5cm}
216 NASA: 6H-SiC LED und 3C-SiC LED\\[-6pt]
217 nebeneinander auf 6H-SiC-Substrat
232 3C-SiC (\foreignlanguage{greek}{b}-SiC) /
233 6H-SiC (\foreignlanguage{greek}{a}-SiC)
235 \item h"ohere Ladungstr"agerbeweglichkeit in \foreignlanguage{greek}{b}-SiC
236 \item h"ohere Durchbruchfeldst"arke in \foreignlanguage{greek}{b}-SiC
237 \item Micropipes (makroskopischer Bereich an Fehlstellen bis hin zur
238 Oberfl"ache) entlang c-Richtung
239 bei \foreignlanguage{greek}{a}-SiC
240 \item gro"sfl"achige epitaktische \foreignlanguage{greek}{a}-SiC-Herstellung
241 sehr viel weiter fortgeschritten verglichen mit der von 3C-SiC
248 Genaues Verst"andnis des 3C-SiC-Ausscheidungsvorganges\\
250 Grundlage f"ur technologischen Fortschritt in 3C-SiC-D"unnschichtherstellung
256 Grundlage zur Vermeidung von SiC-Ausscheidungen in
257 $\text{Si}_{\text{1-y}}\text{C}_{\text{y}}$ Legierungen
260 \item Ma"sschneidern der elektronischen Eigenschaften von Si
261 \item gestreckte Heterostrukturen
272 Die Alternative: Ionenstrahlsynthese
277 \item Implantation 1:
278 180 keV C$^+\rightarrow$ FZ-Si(100),
279 $D=7.9 \times 10^{17}$ cm$^{-2}$,
280 $T_{\text{i}}=500 \, ^{\circ} \text{C}$
283 epitaktisch orientierte 3C-SiC Ausscheidungen
284 in kastenf"ormigen Bereich,
285 eingeschlossen in a-Si:C
287 \item Implantation 2:
288 180 keV C$^+\rightarrow$ FZ-Si(100),
289 $D=0.6 \times 10^{17}$ cm$^{-2}$,
290 $T_{\text{i}}=250 \, ^{\circ} \text{C}$
293 Zerst"orung einzelner SiC Ausscheidungen
294 in gr"o"ser werdenden amorphen Grenzschichten
297 $T=1250 \, ^{\circ} \text{C}$, $t=10\text{ h}$
300 Homogene, st"ochiometrische 3C-SiC Schicht mit
301 scharfen Grenzfl"achen
306 \begin{minipage}{5.9cm}
307 \includegraphics[width=6cm]{ibs_3c-sic.eps}
310 \begin{minipage}{6.5cm}
313 Querschnitts-TEM-Aufnahme einer einkristallinen vergrabenen
315 (a) Hellfeldaufnahme\\
316 (b) 3C-SiC(111) Dunkelfeldaufnahme\\
327 SiC-Ausscheidungsvorgang
332 {\bf Kristallstruktur und Einheitszelle:}
334 \item kristallines Silizium (c-Si): Diamantstruktur\\
335 ${\color{si-yellow}\bullet}$ und ${\color{gray}\bullet}$
336 $\leftarrow$ Si-Atome
337 \item kubisches SiC (3C-SiC): Zinkblende-Struktur\\
338 ${\color{si-yellow}\bullet} \leftarrow$ Si-Atome\\
339 ${\color{gray}\bullet} \leftarrow$ C-Atome
342 \begin{minipage}{8cm}
343 {\bf Gitterkonstanten:}
345 4a_{\text{c-Si}}\approx5a_{\text{3C-SiC}}
347 {\bf Siliziumdichten:}
349 \frac{n_{\text{3C-SiC}}}{n_{\text{c-Si}}}=97,66\,\%
352 \begin{minipage}{5cm}
353 \includegraphics[width=5cm]{sic_unit_cell.eps}
361 SiC-Ausscheidungsvorgang
366 Hier die aus experimentellen Untersuchungen heraus vermuteten
367 Ausscheidungsvorgaenge rein.
374 SiC-Ausscheidungsvorgang
381 Vermuteter 3C-SiC-Ausscheidungsvorgang in c-Si:
385 \begin{minipage}{3.8cm}
386 \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_01.eps}
389 \begin{minipage}{3.8cm}
390 \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_02.eps}
393 \begin{minipage}{3.8cm}
394 \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_03.eps}
399 \begin{minipage}{3.8cm}
400 Bildung von C-Si Dumbbells auf regul"aren c-Si Gitterpl"atzen
403 \begin{minipage}{3.8cm}
404 Anh"aufung hin zu gro"sen Clustern (Embryos)\\
407 \begin{minipage}{3.8cm}
408 Ausscheidung von 3C-SiC + Erzeugung von Si-Zwischengitteratomen
413 Aus experimentellen Untersuchungen:
415 \item kritischer Durchmesser einer Ausscheidung: 4 - 5 nm
416 \item gleiche Orientierung der c-Si and 3C-SiC (hkl)-Ebenen
424 Details der MD-Simulation
432 \item Mikroskopische Beschreibung eines N-Teilchensystems
433 \item Analytisches Wechselwirkungspotential
434 \item Numerische Integration der Newtonschen Bewegungsgleichung\\
435 als Propagationsvorschrift im 6N-dimensionalen Phasenraum
436 \item Observablen sind die Zeit- und/oder Ensemblemittelwerte
438 {\bf Details der Simulation:}
440 \item Integration: Velocity Verlet, Zeitschritt: $1\text{ fs}$
441 \item Ensemble: NpT, isothermal-isobares Ensemble
443 \item Berendsen Thermostat:
444 $\tau_{\text{T}}=100\text{ fs}$
445 \item Berendsen Barostat:\\
446 $\tau_{\text{P}}=100\text{ fs}$,
447 $\beta^{-1}=100\text{ GPa}$
449 \item Potential: Tersoff-"ahnliches 'bond order' Potential
452 E = \frac{1}{2} \sum_{i \neq j} \pot_{ij}, \quad
453 \pot_{ij} = f_C(r_{ij}) \left[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \right]
457 \begin{picture}(0,0)(-230,-30)
458 \includegraphics[width=5cm]{tersoff_angle.eps}
466 Zwischengitter-Konfigurationen
471 Simulationssequenz:\\
475 \begin{pspicture}(0,0)(7,8)
476 \rput(3.5,7){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
479 \item initiale Konfiguration:\\
480 $9\times9\times9$ Einheitszellen c-Si
481 \item periodische Randbedingungen
482 \item $T=0\text{ K}$, $p=0\text{ bar}$
485 \rput(3.5,3.5){\rnode{insert}{\psframebox{
487 Einf"ugen der C/Si Atome:
489 \item $(0,0,0)$ $\rightarrow$ {\color{red}tetraedrisch}
490 (${\color{red}\triangleleft}$)
491 \item $(-1/8,-1/8,1/8)$ $\rightarrow$ {\color{green}hexagonal}
492 (${\color{green}\triangleright}$)
493 \item $(-1/8,-1/8,-1/4)$, $(-1/4,-1/4,-1/4)$\\
494 $\rightarrow$ {\color{magenta}110 Dumbbell}
495 (${\color{magenta}\Box}$,$\circ$)
496 \item zuf"allige Position (Minimalabstand)
499 \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
503 \ncline[]{->}{init}{insert}
504 \ncline[]{->}{insert}{cool}
507 \begin{picture}(0,0)(-210,-45)
508 \includegraphics[width=6cm]{unit_cell_s.eps}
516 Zwischengitter-Konfigurationen
521 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
522 \underline{Tetraedrisch}\\
524 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_tetra_0.eps}
526 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
527 \underline{110 Dumbbell}\\
529 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_dumbbell_0.eps}
531 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
532 \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
533 \href{../video/si_self_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
534 $E_f^{\star}\approx4.48$ eV (nicht stabil!)\\
535 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_hexa_0.eps}
538 \underline{zuf"allige Positionen}
540 \begin{minipage}{4.3cm}
542 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_397_0.eps}
544 \begin{minipage}{4.3cm}
546 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_375_0.eps}
548 \begin{minipage}{4.3cm}
550 \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_356_0.eps}
558 Zwischengitter-Konfigurationen
563 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
564 \underline{Tetraedrisch}\\
566 \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_tetra_0.eps}
568 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
569 \underline{110 Dumbbell}\\
571 \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_dumbbell_0.eps}
573 \begin{minipage}[t]{4.3cm}
574 \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
575 \href{../video/c_in_si_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
576 $E_f^{\star}\approx5.6$ eV (nicht stabil!)\\
577 \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_hexa_0.eps}
580 \underline{zuf"allige Positionen}
584 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
586 \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_001db_0.eps}
587 \begin{picture}(0,0)(-15,-3)
591 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
593 \includegraphics[width=3.2cm]{c_in_si_int_rand_162_0.eps}
595 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
597 \includegraphics[width=3.1cm]{c_in_si_int_rand_239_0.eps}
599 \begin{minipage}[t]{3.0cm}
601 \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_341_0.eps}
609 Zwischengitter-Konfigurationen
618 \begin{minipage}{4cm}
621 \item Very often observed
622 \item Most energetically\\
623 favorable configuration
629 [6] G. D. Watkins and K. L. Brower,\\
630 Phys. Rev. Lett. 36 (1976) 1329.
633 \begin{minipage}{8cm}
634 \includegraphics[width=9cm]{100-c-si-db_s.eps}
642 Simulationen zum Ausscheidungsvorgang
649 Simulationssequenz:\\
653 \begin{pspicture}(0,0)(12,8)
655 \rput(3.5,7.0){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
658 \item initiale Konfiguration:\\
659 $31\times31\times31$ c-Si Einheitszellen
660 \item periodsche Randbedingungen
661 \item $T=450\, ^{\circ}\text{C}$, $p=0\text{ bar}$
662 \item "Aquilibrierung von $E_{\text{kin}}$ and $E_{\text{pot}}$
665 \rput(3.5,3.2){\rnode{insert}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lachs]{
667 Einf"ugen von 6000 C-Atomen\\
668 bei konstanter Temperatur
670 \item gesamte Simulationsvolumen {\pnode{in1}}
671 \item Volumen einer minimal SiC-Ausscheidung {\pnode{in2}}
672 \item Bereich der ben"otigten Si-Atome {\pnode{in3}}
675 \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
677 Abk"uhlen auf $20\, ^{\circ}\textrm{C}$
679 \ncline[]{->}{init}{insert}
680 \ncline[]{->}{insert}{cool}
681 \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=white](7.5,1.8)(13.5,7.8)
682 \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=lightgray](9,3.3)(12,6.3)
683 \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=gray](9.25,3.55)(11.75,6.05)
684 \rput(7.9,4.2){\pnode{ins1}}
685 \rput(9.22,3.5){\pnode{ins2}}
686 \rput(11.0,3.8){\pnode{ins3}}
687 \ncline[]{->}{in1}{ins1}
688 \ncline[]{->}{in2}{ins2}
689 \ncline[]{->}{in3}{ins3}
699 Simulationen zum Ausscheidungsvorgang
702 \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-c_c-c.eps}
703 \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-si.eps}
705 \begin{minipage}[t]{6.3cm}
708 \item C-C peak at 0.15 nm similar to next neighbour distance of graphite
710 $\Rightarrow$ Formation of strong C-C bonds
711 (almost only for high C concentrations)
712 \item Si-C peak at 0.19 nm similar to next neighbour distance in 3C-SiC
713 \item C-C peak at 0.31 nm equals C-C distance in 3C-SiC\\
714 (due to concatenated, differently oriented
715 <100> dumbbell interstitials)
716 \item Si-Si shows non-zero g(r) values around 0.31 nm like in 3C-SiC\\
717 and a decrease at regular distances\\
719 interval of enhanced g(r) corresponds to C-C peak width)
722 \begin{minipage}[t]{6.3cm}
725 \item Low C concentration (i.e. $V_1$):
726 The <100> dumbbell configuration
728 \item is identified to stretch the Si-Si next neighbour distance
730 \item is identified to contribute to the Si-C peak at 0.19 nm
731 \item explains further C-Si peaks (dashed vertical lines)
733 $\Rightarrow$ C atoms are first elements arranged at distances
734 expected for 3C-SiC\\
735 $\Rightarrow$ C atoms pull the Si atoms into the right
736 configuration at a later stage
737 \item High C concentration (i.e. $V_2$ and $V_3$):
739 \item High amount of damage introduced into the system
740 \item Short range order observed but almost no long range order
742 $\Rightarrow$ Start of amorphous SiC-like phase formation\\
743 $\Rightarrow$ Higher temperatures required for proper SiC formation
752 Very first results of the SiC precipitation runs
755 \begin{minipage}[t]{6.9cm}
756 \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/sic_pc.ps}
757 \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/foo_end.ps}
760 \begin{minipage}[c]{5.5cm}
761 \includegraphics[width=6.0cm]{sic_si-c-n.eps}
775 \item Importance of understanding the SiC precipitation mechanism
776 \item Interstitial configurations in silicon using the Albe potential
777 \item Indication of SiC precipitation
783 \item Displacement and stress calculations
784 \item Refinement of simulation sequence to create 3C-SiC
785 \item Analyzing self-designed Si/SiC interface