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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 highly efficient
18 high-temperature, high-power and high-frequency electronic
19 and opto-electronic devices, which can operate in harsh environments.
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25 #(nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).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 as an example a SiC based inverter with an efficiency of 98.5%
28 designed by the frauenhofer institute for solar energy systems is displayed.
29 therefore, SiC constitutes a promising candidate to become the key technology
30 towards an extensive development and use of regenerative energies and emobility.
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34 although the local order of the silicon and carbon atoms
35 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
36 more than 250 different polytypes exist,
37 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
38 identical, close-packed SiC bilayers,
39 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
40 the 3c polytype is the only cubic polytype.
41
42 different polytypes exhibit different properties,
43 which are listed in the table
44 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
45 SiC clearly outperforms silicon.
46 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
47 break down field and saturation drift velocity.
48 additionally, these properties are isotropic.
49 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
50 high-performance electronic devices.
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52 slide [4] OR 5
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54 SiC is rarely found in nature and, thus, must be synthesized.
55
56 nowadays, much progress has been achieved in SiC thin film growth
57 by molecular beam epitaxy and chemical vapor deposition.
58 indeed, commerically available semiconductor devices based on alpha SiC exist,
59 however, production of the advantageous cubic type is less advanced,
60 structural and electrical qualities are not yet satisfactory.
61
62 next to CVD and MBE, the ion beam synthesis technique, which consists of
63 high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step
64 turned out to constitute a promising method to form buried layers of SiC in Si.
65 this was extensively investigated and optimized here in augsburg
66 in the group of joerg lindner to obtain homogeneous SiC layers
67 with sharp interfaces to the Si host, as can bee seen in the hrtem image.
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69 slide 4 or [5]
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71 one method to fabricate the adavntageous cubic polytiype is ibs,
72 i.e. high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step,
73 as extensively investigated and optimzed here in augsburg
74 in the group of joerg lindner.
75 a two-step implantation process was suggested.
76 the trick is to destroy stable precipitates that form at the layer interface
77 by implanting a remaining low amount of the dose at lower temperatures
78 to enable redistribution of the C profile during annealing,
79 which results in a homogeneous SiC layer with a sharp interface
80 as you can see in this cross section tem image.
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84 however, the precipitation itself is not yet fully understood.
85 understanding the effective underlying processes of precipitation
86 will enable significant progress in thin film formation of cubic SiC
87 and likewise offer perspectives for processes that rely upon prevention
88 of SiC precipitation, for example the fabrication of strained silicon.
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92 there is an assumed mechanism of precipitation based on the formation and
93 agglomeration of interstitial carbon.
94 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
95 displaced by one quater of the volume diagonal.
96 in the case of SiC one of the fcc lattice atoms is replaced by carbon atoms.
97 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
98 thus, in total, the silicon density is only slightly lower in SiC.
99
100 the mechanism is schematically displayed here.
101 a pair of black dots represent two atoms of the two fcc lattices.
102 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
103 situated on regular silicon lattice sites.
104 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
105 indicated by dark contrasts and an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
106 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
107 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
108 and precipitation occurs.
109 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
110 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
111 due to the slightly lower silicon density of SiC,
112 precipitation is accompanied by the emission of a few excess silicon atoms
113 into the silicon host, since there is more space.
114 it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
115
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118 however, controversial findings and conclusions exist in the literature.
119 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
120 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
121 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
122 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
123 investigations of the annealing behavior of implantations
124 at different temperatures showed high and zero carbon diffusion
125 for the room temperature and elevated temperature implantations respectively.
126 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
127 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
128 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
129 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
130 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
131 accompanied by strain relaxation.
132
133 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
134 instead of interstitial carbon atoms.
135 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
136 in the context of these controversial results.
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140 therefore, atomistic simulations are utilized,
141 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
142 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
143 calculations, which are explained in the following, are used
144 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
145 directly model SiC precipitation.
146 finally, after these results are presented,
147 i would like to give a short summary and conclusion.
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151 in md, a system of n particles is described on the microscopic level
152 by numerically integrating newtons equations of motion.
153 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
154 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
155
156 in this case roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
157 and nearly a quater of a million atoms for the precipitation simulations.
158 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
159 with a time step of 1 fs.
160 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
161 developed by erhart and albe.
162 the short range character is achieved by a cutoff function,
163 which drops the interaction inbetween the first and next neighbor atom.
164 the potential consists of a repulsive and an attractive part associated with
165 the bonding, which is limited by the bond order term, which takes
166 into consideration all atoms k influencing the bond of atoms i and j.
167 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
168 realized by the berendsen thermostat and barostat.
169
170 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
171 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
172 electron density, which minimizes the energy,
173 i.e. it has the variational property.
174 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
175 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting particles to
176 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
177 however formally exact by introducing an energy functional,
178 which accounts for the exchange and correlation energy.
179 #the effective potential yields a ground-state density
180 #for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons
181 #in the external potential.
182 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
183
184 the vasp code was used for this purpose.
185 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
186 an energy cut-off of 300 eV is employed.
187 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
188 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
189 brillouin zone sampling is restricted to the gamma point.
190 the supercell consists of 216 atoms, 3 silicon unit cells in each direction,
191 of course much less atoms compared to the highly efficient md technique.
192
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194
195 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon
196 with periodic boundary conditions and temperature and pressure set to zero.
197 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
198 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
199 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
200
201 next to the structure, defects can be characterized by formation energies,
202 which is defined by this formula, where the chemical potential
203 is taken to be the cohesive energy per atom for the fully relaxed structure.
204
205 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
206 the difference of the formation energy of the defect combination and
207 the isolated defects.
208 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
209 configurations while the binding energy for non-interacting isolated defects
210 approaches zero.
211
212 migration barriers from one stable configuration into another
213 are obtained by the constrained relaxation technique.
214 atoms involving great structural changes are displaced stepwise
215 from the starting to the final position and relaxation is only allowed
216 perpendicular to the displacement direction.
217 each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
218
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220
221 in the following, structures and formation energies
222 of silicon self-interstitial defects are shown.
223 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
224 which are within the same order of magnitude.
225 however, discrepancies exist.
226 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
227 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
228 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
229 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
230 a known problem, which arises due to the cut-off
231 underestimating the closely located second next neighbors.
232 the hexagonal defect is not stable
233 opposed to results of the authors of the potential.
234 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
235 begins to move towards a more favoarble position,
236 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
237 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
238 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
239 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
240 tetrahedral configuration.
241 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
242 in the following investigations of defect combinations.
243
244 slide 12
245
246 the situation is much better for carbon defects.
247 both methods provide the correct order of the formation energies
248 and find the 100 db to be the ground state.
249 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
250 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
251 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
252 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
253 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
254 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
255 relaxing into the 110 db configuration.
256 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
257 the wrong description is not posing a serious limitation.
258 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
259 has the lowest formation energy for both methods, although, 
260 it is drastically underestimated in the empirical approach.
261 this might be a problem concerning the clarification of the controversial views
262 of participation of Cs in the precipitation mechanism.
263 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
264 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
265
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268 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
269 obtained by both methods.
270 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
271 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
272 of course, the classical potential is not able to reproduce
273 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
274
275 more important, the bc configuration is found to constitute
276 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
277 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
278 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
279 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
280 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
281 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
282
283 slide 14
284
285 here, two of the intuitively obvious migration pathways of a carbon 00-1 db,
286 and the corresponding activation energies
287 for the highly accurate quantum mechnaical calculations are shown.
288
289 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
290 crossing the bc configuration.
291 due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
292 configuration.
293 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
294
295 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
296 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
297 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
298 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
299
300 a simple reorientation process was also calculated.
301 however, an energy of 1.2 eV was obtained.
302 thus, reorientation is most probably composed of two consecutive processes of
303 the above type.
304
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307 the situation changes completely for the classical description.
308 path number one, from the 00-1 to bc configuration
309 shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
310 next to the fact, that this is a different pathway,
311 the barrier is 2.4 times higher than the experimental and ab inito results.
312
313 however, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
314 relaxing into the 110 db configuration.
315 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
316 is close to the 110 db structure.
317
318 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
319 this migration is displayed here,
320 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
321 configuration.
322 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
323 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
324 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
325 migration path in the ea description.
326 after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
327
328 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
329 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
330
331 slide 16
332
333 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
334 of possible point defects and respective combinations.
335 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
336 and further types of defects,
337 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
338 the investigations are restricted to dft calculations.
339 energetically favorable and unfavorable configurations,
340 determined by the binding energies,
341 can be explained by stress compensation and increase respetively.
342
343 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
344 favorable.
345 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
346 however, due to high migration barriers or energetically unfavorable
347 intermediate configurations to obtain this configuration,
348 only a low probability is assumed for C-C clustering.
349
350 in contrast, for the second most favorable configuration,
351 a migration path with a low barrier exists.
352 moreover, within the systematically investigated configuration space, 
353 this type of defect pair is represented two times more often
354 than the ground state.
355
356 the results suggest that agglomeration of Ci indeed is expected.
357
358 slide 17
359
360 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
361 separated along the 110 direction with respect to the C-C distance.
362 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
363 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
364 possible distance, i.e. the ground state.
365 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
366 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
367 between the two lowest separation distances of the defects.
368
369 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
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372
373 if a vacancy is created next to the Ci defect,
374 a situation absolutely conceivable in ibs,
375 the obtained structure will most likely turn into the Cs configuration.
376 if the vacancy is created at position 1, the Cs configuration is directly
377 obtained in the relaxation process.
378 if it is created at other positions, e.g. 2 and 3,
379 only low barriers are necessary for a transition into the Cs configuration
380 whereas high barriers are necessary for the reverse process.
381
382 based on this, a high probability for the formation of Cs,
383 which is found to be extremely stable, must be concluded.
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386
387 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
388 again, a situation which is very likely to arise due to implantation.
389 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
390 constitutes the energetically most favirable configuration,
391 which, however, is still less favorable than the Ci 100 db,
392 in which the silicon and carbon atom share a single lattice site.
393 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
394 indicating a low capture radius.
395 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
396 thus, Cs and Si_i, which do not react into the ground state,
397 constitute most likely configurations to be found in ibs.
398
399 this is supported by a low migration barrier necessary for the transition
400 from the ground state Ci 100 db into the configuration of Cs and Si_i.
401 in addition, a low migration barrier of the interstitial silicon,
402 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
403
404 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and a Si_i db,
405 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
406 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
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410 once more, this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
411 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
412 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
413 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
414
415 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
416 to structural formation increases, which might result in a spatial separation,
417 even for defects located within the capture radius.
418
419 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
420 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
421 of precipitation due to its high probability of incidence.
422
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424
425 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
426 by successive insertion of 6000 C atoms,
427 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
428 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
429 insertion is realized at constant temperature.
430 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
431 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
432 due to the high amount of particles,
433 the classical potential is exclusively used.
434 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
435 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
436 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
437 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
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440
441 the radial distribution Si-C, C-C and Si-Si bonds of simulations,
442 in which C was inserted at 450 dc,
443 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
444
445 for the low C concentration simulation, i.e. the v1 simulation,
446 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
447 which is obvious by comparing it to the
448 reference distribution generated by a single Ci defect.
449 the second peak is a cut-off artifact,
450 correpsonding to the Si-C cut-off distance of 0.26 nm.
451 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
452 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
453 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
454 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
455 which is represented by nonzero values in the correlation function.
456
457 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
458 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
459
460 turning to the high C concentration simulations, i.e. the v1 and v2 simulation,
461 a high amount of strongly bound C-C bonds
462 as in graphite or diamond are observed.
463 an increased defect and damage density is obtained,
464 which makes it hard to categorize and trace defect arrangements.
465 only short range orde is observed.
466 and, indeed, comparing to other distribution data, an amorphous SiC-like
467 phase is obtained.
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471 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
472 in the v1 simulation, formation of Ci indeed occurs, however,
473 agglomeration is missing.
474 in the high concentration simulation, an amorphous SiC-like structure,
475 which is not expected at 450 dc, is obtained.
476 no rearrangemnt into crystalline cubic SiC is indicated.
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480 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
481
482 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general.
483 to minimize the integration error, the time step must be chosen smaller
484 than the reciprocal of the fastes vibrational mode.
485 several local minima exist, which are separated by large energy barriers.
486 due to the low probability for escaping such a local minimum,
487 a transition event correpsonds to a multiple of vibrational periods.
488 a phase transition, in turn, consists of many such infrequent transition events.
489 new accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on,
490 have been developed to bypass the time scale problem while retaining proper
491 thermodynamic sampling.
492
493 in addition, the overestimated diffusion barriers,
494 due to the short range character of the potential,
495 intensify this problem, which I called:
496 potential enhanced slow phase space propagation.
497
498 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
499 without possible corrections.
500 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
501 are assumed oto be not sufficient.
502 moreover, to legitimate the usage of increased temperatures:
503 cubic SiC is also observed for higher temperatures,
504 there is definitely a higher temperature inside the sample, and, anyways,
505 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
506
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509 and indeed, promising changes are observed by comparing,
510 again the radial distribution data of Si-C, Si-Si and C-C bonds
511 for temperatures up to 2050 dc.
512 first of all, the cut-off artifact disappears.
513 more important, a transition a 100 db into a Cs dominated structure takes place,
514 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks.
515
516 the Si-Si rising peak at 0.325 nm is due to two Si atoms next to a Cs atom.
517
518 the C-C next neighbor pairs are reduced,
519 which is mandatory for cubic SiC formation.
520 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances.
521 the amount of bonds due to Ci 100 combinations, represented by dashed arrows,
522 decreases accompanied by an increase of bonds due to combinations of
523 Ci 100 and Cs and pure Cs combinations, represented by the dashed line and
524 solid arrows respectively.
525 increasing values in the range between the dashed line and first solid arrow
526 correpsond to bonds of a Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
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530 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
531 are directly observed.
532 therefore, an increased participation of Cs is suggested
533 for implantations at elevated temperatures,
534 which simulate the conditions prevalent in ibs that deviate the system
535 from thermodynamic equilibrium enabling Ci to turn into Cs.
536
537 the emission of Si_i serves several needs:
538 as a vehicle to rearrange the Cs,
539 realized by recombination into the highly mobile Ci configuration.
540 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
541 or further SiC formation.
542 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
543 or in the stretched SiC structure, which, again,
544 was diretly observed in simulation.
545
546 this perfectly explains the results of the annealing experiments
547 stated in the beginning of this talk.
548 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
549 configurations are formed.
550
551 to summarize, the results suggest that Cs plays an important role
552 in the precipitation process.
553 moreover, high temperatures are necessary to model ibs conditions,
554 which are far from equilibrium.
555
556 slide 27
557
558 to summarize and conclude ...
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560 slide 28
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562 finally, I would like to say thank you.
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