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3 dear examiners, dear colleagues.
4 welcome everybody to the the defense of my doctor's thesis entitled ...
5 as usual, i would like to start with a small motivation,
6 which in this case focuses on the materials system, SiC.
7 and, thereby, approach the problem to be investigated within this study, i.e.
8 a controversy concerning the precipitation mechanism present in the literature.
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12 the semiconductor material SiC has remarkable physical and chemical properties,
13 which make it a promising new material in various fields of applications.
14 the wide band gap and high breakdown field
15 as well as the high electron mobility and saturation drift velocity
16 in conjunction with its unique thermal stability and conductivity
17 unveil SiC as the ideal candidate for
18 high-temperature, high-power and high-frequency electronic
19 and opto-electronic devices.
20
21 in fact light emission from SiC crystal rectifiers was observed
22 already in the very beginning of the 20th century
23 constituting the brirth of solid state optoelectronics.
24 and indeed, the first blue light emitting diodes in 1990 were based on SiC.
25 (nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).
26
27 the focus of SiC based applications, however,
28 is in the area of solid state electronic devices
29 experiencing revolutionary performance improvements enabled by its capabilities.
30 devices can be designed much thinner with increased dopant concentrations
31 resulting in highly efficient rectifier diodes and switching transistors.
32 one example is displayed: a SiC based inverter with an efficiency of 98.5%
33 designed by the frauenhofer institute for solar energy systems.
34 therefore, SiC constitutes a promising candidate to become the key technology
35 towards an extensive development and use of regenerative energies and emobility.
36
37 moreover, due to the large bonding energy,
38 SiC is a hard and chemical inert material
39 suitable for applications under extreme conditions.
40 its radiation hardness allows the operation as a first wall reactor material
41 and as electronic devices in space.
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45 the stoichiometric composition of silicon and carbon
46 is the only stable compound in the C/Si system.
47 SiC is a mainly covalent material in which both,
48 the Si and C atom are sp3 hybridized.
49 the local order of the silicon and carbon atoms
50 characterized by the tetrahedral bond is always the same.
51 however, more than 250 different polytypes exist,
52 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
53 identical, close-packed SiC bilayers,
54 which can be situated on one of three possible positions (abbreviated a,b,c).
55 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
56 the 3c polytype is the only cubic polytype.
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58 different polytypes exhibit different properties,
59 which are listed in the table
60 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
61 despite the lower charge carrier mobilities for low electric fields,
62 SiC clearly outperforms silicon.
63 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
64 break down field and saturation drift velocity.
65 additionally, these properties are isotropic.
66 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
67 high-performance electronic devices.
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71 SiC is rarely found in nature and, thus, must be synthesized.
72 it was first observed by moissan from a meteor crater in arizona.
73 the fact that natural SiC is almost only observed
74 as individual presolar SiC stardust grains near craters of meteorite impacts
75 already indicates the complexity involved in the synthesis process.
76
77 however, nowadays, much progress has been achieved in thin film growth
78 by molecular beam epitaxy and chemical vapor deposition.
79 indeed, commerically available semiconductor devices based on alpha SiC exist,
80 although these are still extremely expensive.
81 however, production of the advantageous cubic type is less advanced,
82 mainly due to the 
83 mismatches in the thermal expansion coefficient and the lattice parameter
84 (with respect to the substrate)
85 which  cause a considerable amount of defects,
86 that is responsible for structural and electrical qualities
87 that are not yet satisfactory.
88
89 next to CVD and MBE, the ion beam synthesis technique, which consists of
90 high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step
91 turned out to constitute a promising method to form buried layers of SiC in Si
92 as indicated in this sketch.
93 due to the high areal homogenity achieved in ibs
94 the size is only limited by the beam scanning equipment
95 and sythesized films do not exhibit surface bending effects
96 in contrast these formed by cvd and mbe.
97 this enables the synthesis of large are SiC films.
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101 the ibs synthesis of SiC was extensively investigated and optimized
102 here in augsburg in the group of joerg lindner.
103 a two-step implantation process was suggested.
104 the trick is to destroy stable precipitates at the layer interface
105 by implanting a remaining low amount of the dose at lower temperatures
106 to enable redistribution of the C profile during annealing,
107 which results in a homogeneous SiC layers with a sharp interface
108 as you can see in this cross section tem image.
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110 however, the precipitation itself is not yet fully understood.
111 understanding the effective underlying processes of precipitation
112 will enable significant progress in thin film formation of cubic SiC
113 and likewise offer perspectives for processes that rely upon prevention
114 of SiC precipitation, for example the fabrication of strained silicon.
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118 there is an assumed mechanism of precipitation based on the formation and
119 agglomeration of interstitial carbon.
120 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
121 displaced by one quater of the volume diagonal.
122 in the case of SiC one of the fcc lattice atoms is replaced by carbon atoms.
123 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
124 thus, in total, the silicon density is only slightly lower in SiC.
125
126 the mechanism is schematically displayed here.
127 a pair of black dots represent two atoms of the two fcc lattices.
128 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
129 situated on regular silicon lattice sites.
130 with increasing doese these dumbbells agglomerate into large clusters,
131 indicated by dark contrasts and an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
132 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
133 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
134 and precipitation occurs.
135 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
136 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
137 due to the slightly lower silicon density of SiC,
138 precipitation is accompanied by the emission of a few excess silicon atoms
139 into the silicon host, since there is more space.
140 it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
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144 however, controversial findings and conclusions exist in the literature.
145 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
146 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
147 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
148 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
149 investigations of the annealing behavior of implantations
150 at different temperatures showed high and zero carbon diffusion
151 for the room temperature and elevated temperature implantations respectively.
152 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
153 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
154 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
155 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
156 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
157 accompanied by strain relaxation.
158
159 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
160 instead of interstitial carbon atoms.
161 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
162 in the context of these controversial results.
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166 therefore, atomistic simulations are utilized,
167 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
168 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
169 calculations, which are explained in the following, are used
170 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
171 directly model SiC precipitation.
172 finally, after these results are presented,
173 i would like to give a short summary and conclusion.
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177 in md, a system of n particles is described on the microscopic level
178 by numerically integrating newtons equations of motion.
179 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
180 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
181
182 in this case roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
183 and nearly a quater of a million atoms for the precipitation simulations.
184 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
185 with a time step of 1 fs.
186 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
187 developed by erhart and albe.
188 the short range character is achieved by a cutoff function,
189 which drops the interaction inbetween the first and second next neighbor atom.
190 the potential consists of a repulsive and an attractive part associated with
191 the bonding, which is limited by the bond order term, which takes
192 into consideration all atoms k influencing the bond of atoms i and j.
193 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
194 realized by the berendsen thermostat and barostat.
195
196 furthermore, highly accurate quantum mechanical calculations
197 based on dft are used.
198 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
199 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
200 electron density, which minimizes the energy,
201 i.e. it has the variational property.
202 in that way, the many body problem can be described by the electron density,
203 which depends only on the 3 spatial coordinates.
204 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
205 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting particles to
206 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
207 however formally exact by introducing an energy functional,
208 which accounts for the exchange and correlation energy.
209 the effective potential yields a ground-state density
210 for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons
211 in the external potential.
212 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
213
214 the vasp code was used for this purpose.
215 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
216 an energy cut-off of 300 eV is employed.
217 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
218 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
219 brillouin zone sampling is restricted to the gamma point.
220 the supercell consists of 216 atoms, 3 silicon unit cells in each direction,
221 of course much less atoms compared to the highly efficient md technique.
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225 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon
226 with periodic boundary conditions and temperature and pressure set to zero.
227 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
228 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
229 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
230
231 next to the structure, defects can be characterized by formation energies,
232 which is defined by this formula, where the chemical potential
233 is taken to be the cohesive energy per atom for the fully relaxed structure.
234
235 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
236 the difference of the formation energy of the defect combination and
237 the isolated defects.
238 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
239 configurations while the binding energy for non-interacting isolated defects
240 approaches zero.
241
242 migration barriers from one stable configuration into another
243 are obtained by the constrained relaxation technique.
244 atoms involving great structural changes are displaced stepwise
245 from the starting to the final position and relaxation is only allowed
246 perpendicular to the displacement direction.
247 each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
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251 in the following, structures and formation energies
252 of silicon self-interstitial defects are shown.
253 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
254 which are within the same order of magnitude.
255 however, discrepancies exist.
256 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
257 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
258 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
259 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
260 a known problem, which arises due to the cut-off
261 underestimating the closely located second next neighbors.
262 the hexagonal defect is not stable
263 opposed to results of the authors of the potential.
264 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
265 begins to move towards a more favoarble position,
266 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
267 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
268 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
269 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
270 tetrahedral configuration.
271 nevertheless, these artificats have to be taken into account
272 in the following investigations of defect combinations.
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276 the situation is much better for carbon defects.
277 both methods provide the correct order of the formation energies
278 and find the 100 db to be the ground state.
279 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
280 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
281 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
282 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
283 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
284 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
285 relaxing into the 110 db configuration.
286 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
287 the wrong description is not posing a serious limitation.
288 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
289 has the lowest formation energy for both methods, although, 
290 it is drastically underestimated in the empirical approach.
291 this might be a problem concerning the clarification of the controversial views
292 of participation of Cs in the precipitation mechanism.
293 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
294 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
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298 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
299 obtained by both methods.
300 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
301 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
302 of course, the classical potential is not able to reproduce
303 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
304
305 more important, the bc configuration is found to constitute
306 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
307 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
308 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
309 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
310 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
311 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
312
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315 here, two of the intuitively obvious migration pathways of a carbon 00-1 db,
316 and the corresponding activation energies
317 for the highly accurate quantum mechnaical calculations are shown.
318
319 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
320 crossing the bc configuration.
321 due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
322 configuration.
323 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
324
325 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
326 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
327 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
328 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
329
330 a simple reorientation process was also calculated.
331 however, an energy of 1.2 eV was obtained.
332 thus, reorientation is most probably composed of two consecutive processes of
333 the above type.
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337 the situation changes completely for the classical description.
338 path number one, from the 00-1 to bc configuration
339 shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
340 next to the fact, that this is a different pathway,
341 the barrier is 2.4 times higher than the experimental and ab inito results.
342
343 moreover, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
344 relaxing into the 110 db configuration.
345 indeed, the observed minima in the 00-1 to 0-10 transition,
346 is close to the 110 db structure.
347
348 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
349 this migration is displayed here,
350 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
351 configuration.
352 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
353 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
354 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
355 migration path in the ea description.
356 after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
357
358 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
359 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
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362
363 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
364 of possible point defects and respective combinations.
365 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
366 and further types of defects,
367 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
368 the investigations are restricted to dft calculations.
369 energetically favorable and unfavorable configurations,
370 determined by the binding energies,
371 can be explained by stress compensation and increase respetively.
372
373 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
374 favorable.
375 indeed, the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
376 however, due to high migration barriers or energetically unfavorable
377 intermediate configurations to obtain this configuration,
378 only a low probability is assumed for C-C clustering.
379
380 in contrast, for the second most favorable configuration,
381 a migration path with a low barrier exists.
382 moreover, within the systematically investigated configuration space, 
383 this type of defect pair is represented two times more often
384 than the ground state.
385
386 the results suggest that agglomeration of Ci indeed is expected.
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390 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
391 separated along the 110 direction with respect to the C-C distance.
392 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
393 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
394 possible distance, i.e. the ground state.
395 a capture radius clearly extending 1 nm is observed.
396 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
397 between the two lowest separation distances of the defects.
398
399 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
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403 if a vacancy is created next to the Ci defect,
404 a situation absolutely conceivable in ibs,
405 the obtained structure will most likely turn into the Cs configuration.
406 if the vacancy is created at position 1, the Cs configuration is directly
407 obtained in the relaxation process.
408 if it is created at other positions, e.g. 2 and 3,
409 only low barriers into the Cs configuration exist
410 and high barriers are necessary for the reverse process.
411
412 based on this, a high probability for the formation of Cs,
413 which is found to be extremely stable, must be concluded.
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416
417 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
418 again, a situation which is very likely to arise due to implantation.
419 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
420 constitutes the energetically most favirable configuration,
421 which, however, is still less favorable than the Ci 100 db,
422 in which the silicon and carbon atom share a single lattice site.
423 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
424 indicating a low capture radius.
425 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
426 thus, Cs and Si_i, which do not react into the ground state,
427 constitute most likely configurations to be found in ibs.
428
429 this is supported by a low migration barrier necessary for the transition
430 from the ground state Ci 100 db into the configuration of Cs and Si_i.
431 in addition, a low migration barrier of the interstitial silicon,
432 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
433
434 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and a Si_i db,
435 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
436 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
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440 once more, this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
441 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
442 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
443 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
444
445 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
446 to structural formation increases, which might result in a spatial separation,
447 even for defects located within the capture radius.
448
449 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
450 suggest an increased participation of Cs in the precipitation process.
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