79243cc7594edb4529e5db19482cb217afb34dab
[lectures/latex.git] / posic / talks / defense.txt
1 slide 1
2
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.
9
10 slide 2
11
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25 (nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).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.
42
43 slide 3
44
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.
57
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 Si.
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.
68
69 slide 4
70
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.
98
99 slide 5
100
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.
109
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.
115
116 slide 6
117
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.
141
142 slide 7
143
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.
163
164 slide 8
165
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.
174
175 slide 9
176
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.
222
223 slide 10
224
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.
248
249 slide 11
250
251 in the following, structures and formation energies
252 of silicon self-interstitial defects are shown.
253 the classical potential and ab initio method predict 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
262 slide 12
263 slide 13
264 slide 14
265 slide 15