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3 dear referees, 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 most important, 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 a SiC based inverter with an efficiency of almost 99% has been realized.
22 therefore, SiC constitutes a promising candidate to become the key technology
23 towards an extensive development and use of regenerative energies and emobility.
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27 one method to fabricate 3C-SiC, the cubic phase of SiC, is ibs,
28 i.e. high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step,
29 this was extensively investigated here in augsburg in the group of j lindner.
30 an optimized two-step implantation process was suggested.
31 the trick is to destroy stable precipitates
32 that formed at the layer interface during the first implantation step
33 by implanting a low remaining amount of the regular dose at lower temperatures.
34 this enables redistribution of the C atoms during annealing,
35 which results in a homogeneous SiC layer with a sharp interface
36 as you can see in this cross section tem image.
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38 however, already the precipitation, at elevated temperatures,
39 is not yet fully understood.
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43 there is an assumed mechanism, however, which is based on the formation and
44 agglomeration of interstitial carbon.
45 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
46 displaced by one quater of the volume diagonal.
47 in the case of SiC, one of the fcc lattice sites is occupied by carbon atoms.
48 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
49 in total, this results in a only slightly lower silicon density for SiC.
50
51 the mechanism is schematically displayed.
52 a pair of black dots represents two atoms of the two fcc lattices.
53 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
54 sharing regular silicon lattice sites.
55 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
56 indicated by dark contrasts in an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
57 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
58 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
59 and precipitation occurs.
60 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
61 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
62 the excess silicon atoms are released in the silicon host,
63 since there is more space.
64 #it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
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68 however, controversial findings exist in the literature.
69 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
70 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
71 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
72 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
73 investigations of the annealing behavior of implantations at low and high
74 temperatures show high and almost zero carbon diffusion respectively.
75 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
76 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
77 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
78 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
79 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
80 accompanied by strain relaxation.
81
82 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
83 instead of interstitial carbon.
84 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
85 in the context of these controversial results.
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89 therefore, atomistic simulations are utilized,
90 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
91 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
92 calculations, which are explained on the following slides, are used
93 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
94 directly model SiC precipitation.
95 finally, after some selected results are presented,
96 a short summary and conclusion is given.
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100 in md, a system of n particles is described
101 by numerically integrating newtons equations of motion.
102 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
103 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
104
105 roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
106 and nearly a quater of a million for the precipitation simulations.
107 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
108 with a time step of 1 fs.
109 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
110 developed by erhart and albe.
111 the short range character is achieved by a cutoff function,
112 which drops the interaction to zero inbetween the first and next neighbor atom.
113 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
114 realized by the berendsen thermostat and barostat.
115
116 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
117 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
118 electron density, which minimizes the energy,
119 i.e. it has the variational property.
120 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
121 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting electrons to
122 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
123 however formally exact by introducing an energy functional,
124 which accounts for exchange and correlation.
125 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
126
127 the vasp code is used for this purpose.
128 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
129 an energy cut-off of 300 eV is employed.
130 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
131 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
132 sampling in k space is restricted to the gamma point.
133 the supercell consists of 216 atoms.
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137 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon.
138 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
139 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
140 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
141
142 next to the structure, defects can be characterized by the formation energy,
143 which is defined by this formula.
144
145 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
146 the difference of the formation energy of the defect combination and
147 the isolated defects.
148 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
149 configurations whereas the binding energy for non-interacting isolated defects
150 approaches zero.
151
152 migration barriers from one stable configuration into another
153 are obtained by the constrained relaxation technique.
154 the diffusing atom is displaced stepwise from the starting
155 to the final position and relaxation is only allowed
156 perpendicular to the displacement direction.
157 each step the configurational energy is recorded.
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161 this has been used to investigate, amongst others,
162 carbon interstitial defects in silicon.
163 both methods provide the correct order of the formation energies
164 and find the 100 db to be the ground state.
165 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
166 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
167 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
168 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
169 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
170 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
171 relaxing into the 110 db configuration.
172 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
173 the wrong description is not posing a serious limitation.
174 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
175 has the lowest formation energy for both methods, although, 
176 it is drastically underestimated in the empirical approach.
177 regarding the problem addressed in this study, this might constitute a problem.
178 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
179 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
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182
183 as a next step, the Ci mobility is determined by the quantum mechanical method.
184 two of the intuitively guessed migration pathways of a carbon 00-1 db are shown.
185
186 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
187 crossing the bc configuration.
188 due to symmetry it is sufficient to consider only the first half
189 of the transition path.
190 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
191 actually another barrier exists to reach a ground-state configuration.
192
193 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
194 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
195 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
196 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
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200 the situation changes completely for the classical description.
201 path number one, shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
202 next to the fact, that this is a different pathway,
203 the barrier is overestimated by a factor of 2.4.
204
205 moreover, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
206 relaxing into the 110 db configuration.
207 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
208 likewise relaxes into the 110 db structure without constraints.
209
210 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
211 this migration is displayed here,
212 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
213 configuration.
214 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
215 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
216 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
217 migration path in the ea description.
218 and after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
219
220 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
221 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
222
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224
225 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
226 of possible point defects and respective combinations.
227 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
228 and further types of defects,
229 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
230 the investigations are restricted to dft calculations.
231 energetically favorable and unfavorable configurations,
232 determined by the binding energies,
233 can be explained by stress compensation and increase respetively.
234
235 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
236 favorable.
237 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
238 however, a high migration barrier is necessary to obtain this configuration
239 in contrast to the second most favorable configuration,
240 which additionally is represented 2 times more often in the systematically
241 investigated configuration space.
242
243 this suggests that agglomeration of Ci indeed is expected, but no C clustering.
244
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246
247 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
248 separated along the 110 direction.
249 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
250 however, the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
251 between the two lowest separation distances of the defects.
252
253 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
254
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257 if a vacancy is created next to the Ci defect,
258 a situation absolutely conceivable in ibs,
259 structures are obtained, which exhibit low migration barriers
260 for the transition into the Cs configuration.
261 in contrast, high barriers are necessary for the reverse process.
262
263 based on this, a high probability of stable Cs configurations must be concluded.
264
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267 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
268 again, a situation which is very likely to arise in ibs.
269 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
270 constitutes the energetically most favirable configuration,
271 which, however, is still less favorable than the Ci 100 ground state.
272 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
273 indicating a low capture radius.
274 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
275
276 moreover, a low transition barrier is found from the ground state
277 into the configuration of separated defects.
278 the barrier is even smaller than migration barrier for carbon.
279 in addition, the low migration barrier of interstitial silicon,
280 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
281
282 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and Si_i,
283 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
284 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
285
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287
288 this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
289 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
290 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
291 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
292
293 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
294 to structural formation increases, which results in a spatial separation,
295 even for defects located within the capture radius.
296
297 !!!
298 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
299 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
300 of precipitation due to its high probability of incidence.
301
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303
304 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
305 by successive insertion of 6000 C atoms,
306 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
307 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
308 insertion is realized at constant temperature.
309 due to the high amount of particles,
310 the classical potential is exclusively used.
311 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
312 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
313 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
314 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
315 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
316 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
317
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320 the radial distribution function of simulations at 450 dc,
321 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
322
323 for the low C concentration simulation,
324 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
325 which is obvious by comparing it to the
326 reference distribution generated by a single Ci defect.
327 the second peak is an artifact due to the cut-off.
328 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
329 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
330 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
331 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
332 which is represented by nonzero values in the correlation function.
333
334 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
335 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
336
337 turning to the high C concentration simulations,
338 a high amount of strongly bound C-C bonds
339 as in graphite or diamond is observed.
340 due to increased defect and damage densities 
341 defect arrangemnets are hard to categorize and trace.
342 only short range order is observed.
343 and, indeed, by comparing to other distribution data,
344 an amorphous SiC-like phase is identified.
345
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347
348 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
349 neither agglomeration of C interstitials
350 nor a transition into crystalline SiC can be identified.
351
352 slide 20
353
354 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
355
356 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general,
357 which results in a slow phase space propagation due to
358 a large amount of local minima separated by large energy barriers.
359 accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on, exist
360 to bypass the time scale problem while retaining proper thermodynamic sampling.
361
362 however, in addition, the overestimated diffusion barriers,
363 due to the short range character of the potential,
364 intensify this problem, which I called:
365 potential enhanced slow phase space propagation.
366
367 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
368 without possible corrections.
369 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
370 are assumed to be not sufficient.
371 anyways, in this case,
372 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
373
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375
376 and indeed, promising changes are observed by comparing,
377 again the radial distribution data for temperatures up to 2050 dc.
378 first of all, the cut-off artifact disappears.
379 more important, a transition into a clearly Cs dominated structure takes place,
380 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks of Cs.
381
382 the rising Si-Si peak is due to stretched Si-C-Si structures
383 along a 110 direction.
384
385 the C-C next neighbor pairs are reduced,
386 which is mandatory for cubic SiC formation.
387 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances,
388 due to a decrease of interstitial carbon combinations accompanied by an
389 increase in interstitial and substitutional as well as pure substitutional
390 combinations.
391 increasing values in this range
392 correpsond to bonds of Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
393
394 slide 22
395
396 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
397 are directly observed.
398 therefore, it is concluded that Cs is extensively involved
399 in the precipitation process for implantations at elevated temperatures.
400
401 the emission of Si_i serves several needs:
402 as a vehicle to rearrange stable Cs,
403 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
404 or further SiC formation.
405 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
406 or in the stretched SiC structure, which, again,
407 was diretly observed in simulation.
408
409 this perfectly explains the results of the annealing experiments
410 stated in the beginning of this talk.
411 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
412 configurations are formed.
413
414 it is further concluded that high temperatures are necessary to model
415 ibs conditions, which are far from equilibrium.
416 the high temperatures deviate the system from thermodynamic equilibrium
417 enabling Ci to turn into Cs.
418
419 slide 23
420
421 to summarize and conclude ...
422 defect structures were described by both methods.
423 the interstitial carbon mmigration path was identified.
424 it turned out that the the diffusion barrier is drastically overestimated
425 within the ea description.
426
427 combinations of defects were investigated by first principles methods.
428 the agglomeration of point defects is energetically favorable.
429 however, substitutional carbon arises in all probability.
430 even transitions from the ground state are very likely to occur.
431
432 concerning the precipitation simulations, the problem of the potential
433 enhanced slow phase space propagation was discussed.
434 by comparing with experiment it is concluded
435 that high temperatures are necessary to model simultae ibs conditions.
436 at elevated temperatures stretched structures of SiC were directly observed
437 in simulation.
438 it is thus concluded that
439 substitutional carbon is heavily involved in the precipitation process.
440 the role of the Si_i was outlined and in one case also directly observed
441 in simulation.
442
443 in total, it is my feeling, that cubic SiC precipitation occurs by successive
444 agglomeration of substitutional C.
445
446 slide 24
447
448 finally, I would like to thank all of the people listed on this slide,
449 categorized by location.
450
451 thank you for your attention!
452
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454
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456
457 slide X polytypes
458
459 although the local order of the silicon and carbon atoms
460 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
461 more than 250 different polytypes exist,
462 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
463 identical, close-packed SiC bilayers,
464 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
465 the 3c polytype is the only cubic polytype.
466
467 different polytypes exhibit different properties,
468 which are listed in the table
469 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
470 SiC clearly outperforms silicon.
471 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
472 break down field and saturation drift velocity.
473 additionally, these properties are isotropic.
474 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
475 high-performance electronic devices.
476
477 slide X silicon self interstitials
478
479 in the following, structures and formation energies
480 of silicon self-interstitial defects are shown.
481 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
482 which are within the same order of magnitude.
483 however, discrepancies exist.
484 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
485 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
486 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
487 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
488 a known problem, which arises due to the cut-off
489 underestimating the closely located second next neighbors.
490 the hexagonal defect is not stable
491 opposed to results of the authors of the potential.
492 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
493 begins to move towards a more favoarble position,
494 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
495 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
496 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
497 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
498 tetrahedral configuration.
499 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
500 in the following investigations of defect combinations.
501
502 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
503
504 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
505 obtained by both methods.
506 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
507 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
508 of course, the classical potential is not able to reproduce
509 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
510
511 more important, the bc configuration is found to constitute
512 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
513 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
514 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
515 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
516 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
517 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
518