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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 #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25 #(nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).
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27 a SiC based inverter with an efficiency of almost 99% has been realized.
28 therefore, SiC constitutes a promising candidate to become the key technology
29 towards an extensive development and use of regenerative energies and emobility.
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33 one method to fabricate 3C-SiC, the cubic phase of SiC, is ibs,
34 i.e. high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step,
35 this was extensively investigated here in augsburg in the group of j lindner.
36 an optimized two-step implantation process was suggested.
37 the trick is to destroy stable precipitates
38 that formed at the layer interface during the first implantation step
39 by implanting a low remaining amount of the regular dose at lower temperatures.
40 this enables redistribution of the C atoms during annealing,
41 which results in a homogeneous SiC layer with a sharp interface
42 as you can see in this cross section tem image.
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44 however, already the precipitation, at elevated temperatures,
45 is not yet fully understood.
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49 there is an assumed mechanism, however, which is based on the formation and
50 agglomeration of interstitial carbon.
51 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
52 displaced by one quater of the volume diagonal.
53 in the case of SiC, one of the fcc lattice sites is occupied by carbon atoms.
54 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
55 in total, this results in a only slightly lower silicon density for SiC.
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57 the mechanism is schematically displayed.
58 a pair of black dots represents two atoms of the two fcc lattices.
59 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
60 sharing regular silicon lattice sites.
61 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
62 indicated by dark contrasts in an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
63 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
64 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
65 and precipitation occurs.
66 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
67 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
68 due to the slightly lower silicon density of SiC,
69 precipitation is accompanied by the emission of only a few excess silicon atoms
70 into the silicon host, since there is more space.
71 #it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
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75 however, controversial findings and conclusions exist in the literature.
76 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
77 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
78 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
79 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
80 investigations of the annealing behavior of implantations at low and high
81 temperatures show high and almost zero carbon diffusion respectively.
82 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
83 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
84 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
85 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
86 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
87 accompanied by strain relaxation.
88
89 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
90 instead of interstitial carbon.
91 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
92 in the context of these controversial results.
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96 therefore, atomistic simulations are utilized,
97 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
98 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
99 calculations, which are explained on the following slides, are used
100 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
101 directly model SiC precipitation.
102 finally, after some selected results are presented,
103 a short summary and conclusion is given.
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107 in md, a system of n particles is described on the microscopic level
108 by numerically integrating newtons equations of motion.
109 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
110 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
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112 roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
113 and nearly a quater of a million atoms for the precipitation simulations.
114 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
115 with a time step of 1 fs.
116 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
117 developed by erhart and albe.
118 the short range character is achieved by a cutoff function,
119 which drops the interaction to zero inbetween the first and next neighbor atom.
120 #the potential consists of a repulsive and an attractive part associated with
121 #the bonding, which is limited by the bond order term, which takes
122 #into consideration all atoms k influencing the bond of atoms i and j.
123 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
124 realized by the berendsen thermostat and barostat.
125
126 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
127 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
128 electron density, which minimizes the energy,
129 i.e. it has the variational property.
130 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
131 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting electrons to
132 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
133 however formally exact by introducing an energy functional,
134 which accounts for the exchange and correlation energy.
135 #the effective potential yields a ground-state density
136 #for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons
137 #in the external potential.
138 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
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140 the vasp code is used for this purpose.
141 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
142 an energy cut-off of 300 eV is employed.
143 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
144 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
145 sampling in k space is restricted to the gamma point.
146 the supercell consists of 216 atoms.
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150 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon.
151 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
152 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
153 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
154
155 next to the structure, defects can be characterized by the formation energy,
156 which is defined by this formula.
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158 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
159 the difference of the formation energy of the defect combination and
160 the isolated defects.
161 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
162 configurations whereas the binding energy for non-interacting isolated defects
163 approaches zero.
164
165 migration barriers from one stable configuration into another
166 are obtained by the constrained relaxation technique.
167 the diffusing atom is displaced stepwise from the starting
168 to the final position and relaxation is only allowed
169 perpendicular to the displacement direction.
170 each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
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174 this has been used to investigate, amongst others,
175 carbon interstitial defects in silicon.
176 both methods provide the correct order of the formation energies
177 and find the 100 db to be the ground state.
178 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
179 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
180 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
181 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
182 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
183 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
184 relaxing into the 110 db configuration.
185 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
186 the wrong description is not posing a serious limitation.
187 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
188 has the lowest formation energy for both methods, although, 
189 it is drastically underestimated in the empirical approach.
190 regarding the problem addressed in this study, this might constitute a problem.
191 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
192 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
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196 as a next step, the Ci mobility is determined by the quantum mechanical method.
197 two of the intuitively guessed migration pathways of a carbon 00-1 db,
198 and the corresponding activation energies are shown.
199
200 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
201 crossing the bc configuration.
202 due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
203 configuration.
204 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
205 actually another barrier exists to reach a ground-state configuration.
206
207 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
208 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
209 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
210 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
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214 the situation changes completely for the classical description.
215 path number one, from the db to the bc configuration
216 shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
217 next to the fact, that this is a different pathway,
218 the barrier is 2.4 times higher than ab inito result.
219
220 moreover, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
221 relaxing into the 110 db configuration.
222 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
223 likewise relaxes into the 110 db structure without constraints.
224
225 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
226 this migration is displayed here,
227 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
228 configuration.
229 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
230 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
231 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
232 migration path in the ea description.
233 and after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
234
235 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
236 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
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240 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
241 of possible point defects and respective combinations.
242 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
243 and further types of defects,
244 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
245 the investigations are restricted to dft calculations.
246 energetically favorable and unfavorable configurations,
247 determined by the binding energies,
248 can be explained by stress compensation and increase respetively.
249
250 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
251 favorable.
252 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
253 however, high migration barrier is necessary to obtain this configuration
254 in contrast to the second most favorable configuration,
255 which additionally is represented 2 times more often in the systematically
256 investigated configuration space.
257
258 this suggests that agglomeration of Ci indeed is expected, but no C clustering.
259
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261
262 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
263 separated along the 110 direction.
264 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
265 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
266 possible distance, i.e. the ground state.
267 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
268 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
269 between the two lowest separation distances of the defects.
270
271 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
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275 if a vacancy is created next to the Ci defect,
276 a situation absolutely conceivable in ibs,
277 structures are obtained, which exhibit low migration barriers
278 for the transition into the Cs configuration.
279 high barriers are necessary for the reverse process.
280
281 based on this, a high probability of stable Cs configurations must be concluded.
282
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285 additionally, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
286 again, a situation which is very likely to arise in ibs.
287 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
288 constitutes the energetically most favirable configuration,
289 which, however, is still less favorable than the Ci 100 ground state.
290 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
291 indicating a low capture radius.
292 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
293
294 moreover, a low transition barrier is found from the ground state
295 into the configuration of separated defects.
296 the barrier is even smaller than migration barrier for carbon.
297 in addition, the low migration barrier of interstitial silicon,
298 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
299
300 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and Si_i,
301 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
302 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
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306 this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
307 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
308 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
309 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
310
311 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
312 to structural formation increases, which results in a spatial separation,
313 even for defects located within the capture radius.
314
315 !!!
316 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
317 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
318 of precipitation due to its high probability of incidence.
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322 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
323 by successive insertion of 6000 C atoms,
324 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
325 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
326 insertion is realized at constant temperature.
327 due to the high amount of particles,
328 the classical potential is exclusively used.
329 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
330 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
331 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
332 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
333 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
334 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
335
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338 the radial distribution function of simulations at 450 dc,
339 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
340
341 for the low C concentration simulation,
342 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
343 which is obvious by comparing it to the
344 reference distribution generated by a single Ci defect.
345 the second peak is an artifact due to the cut-off.
346 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
347 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
348 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
349 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
350 which is represented by nonzero values in the correlation function.
351
352 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
353 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
354
355 turning to the high C concentration simulations,
356 a high amount of strongly bound C-C bonds
357 as in graphite or diamond is observed.
358 due to increased defect and damage densities 
359 defect arrangemnets are hard to categorize and trace.
360 only short range order is observed.
361 and, indeed, by comparing to other distribution data,
362 an amorphous SiC-like phase is identified.
363
364 slide 19
365
366 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
367 neither agglomeration of C interstitials
368 nor a transition into crystalline SiC can be identified.
369
370 slide 20
371
372 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
373
374 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general,
375 which results in a slow phase space propagation due to
376 a large amount of local minima separated by large energy barriers.
377 accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on, exist
378 to bypass the time scale problem while retaining proper thermodynamic sampling.
379
380 however, in addition, the overestimated diffusion barriers,
381 due to the short range character of the potential,
382 intensify this problem, which I called:
383 potential enhanced slow phase space propagation.
384
385 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
386 without possible corrections.
387 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
388 are assumed to be not sufficient.
389 anyways, in this case,
390 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
391
392 slide 21
393
394 and indeed, promising changes are observed by comparing,
395 again the radial distribution data for temperatures up to 2050 dc.
396 first of all, the cut-off artifact disappears.
397 more important, a transition into a clearly Cs dominated structure takes place,
398 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks of Cs.
399
400 the rising Si-Si peak is due to stretched Si-C-Si structures
401 along a 110 direction.
402
403 the C-C next neighbor pairs are reduced,
404 which is mandatory for cubic SiC formation.
405 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances,
406 due to a decrease of interstitial carbon combinations accompanied by an
407 increase in interstitial and substitutional as well as pure substitutional
408 combinations.
409 increasing values in this range
410 correpsond to bonds of Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
411
412 slide 22
413
414 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
415 are directly observed.
416 therefore, it is concluded that Cs is extensively involved
417 in the precipitation process for implantations at elevated temperatures.
418
419 the emission of Si_i serves several needs:
420 as a vehicle to rearrange stable Cs,
421 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
422 or further SiC formation.
423 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
424 or in the stretched SiC structure, which, again,
425 was diretly observed in simulation.
426
427 this perfectly explains the results of the annealing experiments
428 stated in the beginning of this talk.
429 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
430 configurations are formed.
431
432 it is further concluded that high temperatures are necessary to model
433 ibs conditions, which are far from equilibrium.
434 the high temperatures deviate the system from thermodynamic equilibrium
435 enabling Ci to turn into Cs.
436
437 slide 23
438
439 to summarize and conclude ...
440 defect structures were described by both methods.
441 the interstitial carbon mmigration path was identified.
442 it turned out that the the diffusion barrier is drastically overestimated
443 within the ea description.
444
445 combinations of defects were investigated by first principles methods.
446 the agglomeration of point defects is energetically favorable.
447 however, substitutional carbon arises in all probability.
448 even transitions from the ground state are very likely to occur.
449
450 concerning the precipitation simulations, the problem of the potential
451 enhanced slow phase space propagation was discussed.
452 by comparing with experiment it is concluded
453 that high temperatures are necessary to model simultae ibs conditions.
454 at elevated temperatures stretched structures of SiC were directly observed
455 in simulation.
456 it is thus concluded that
457 substitutional carbon is heavily involved in the precipitation process.
458 the role of the Si_i was outlined and in one case also directly observed
459 in simulation.
460
461 in total, it is my feeling, that cubic SiC precipitation occurs by successive
462 agglomeration of substitutional C.
463
464 slide 24
465
466 finally, I would like to thank all of the people listed on this slide,
467 categorized by location.
468
469 thank you for your attention!
470
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474
475 slide X polytypes
476
477 although the local order of the silicon and carbon atoms
478 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
479 more than 250 different polytypes exist,
480 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
481 identical, close-packed SiC bilayers,
482 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
483 the 3c polytype is the only cubic polytype.
484
485 different polytypes exhibit different properties,
486 which are listed in the table
487 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
488 SiC clearly outperforms silicon.
489 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
490 break down field and saturation drift velocity.
491 additionally, these properties are isotropic.
492 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
493 high-performance electronic devices.
494
495 slide X silicon self interstitials
496
497 in the following, structures and formation energies
498 of silicon self-interstitial defects are shown.
499 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
500 which are within the same order of magnitude.
501 however, discrepancies exist.
502 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
503 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
504 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
505 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
506 a known problem, which arises due to the cut-off
507 underestimating the closely located second next neighbors.
508 the hexagonal defect is not stable
509 opposed to results of the authors of the potential.
510 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
511 begins to move towards a more favoarble position,
512 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
513 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
514 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
515 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
516 tetrahedral configuration.
517 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
518 in the following investigations of defect combinations.
519
520 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
521
522 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
523 obtained by both methods.
524 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
525 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
526 of course, the classical potential is not able to reproduce
527 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
528
529 more important, the bc configuration is found to constitute
530 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
531 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
532 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
533 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
534 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
535 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
536