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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 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.
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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25 #(nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).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 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 one method to fabricate the 3C-SiC, the cubic phase of SiC, is ibs,
35 i.e. high dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step,
36 as extensively investigated and optimzed here in augsburg
37 in the group of joerg lindner.
38 an optimized two-step implantation process was suggested.
39 the trick is to destroy stable precipitates
40 formed at the layer interface during the first implantation step
41 by implanting the low remaining amount of the regular dose at lower temperatures
42 to enable redistribution of the C atoms during annealing,
43 which results in a homogeneous SiC layer with a sharp interface
44 as you can see in this cross section tem image.
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46 however, the precipitation, at elevated temperatures,
47 is not yet fully understood.
48 detailed understanding of the effective underlying processes of precipitation
49 might enable significant progress in thin film formation of cubic SiC
50 and likewise offer perspectives for processes that rely upon prevention
51 of SiC precipitation, for example the fabrication of strained silicon.
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55 there is an assumed mechanism of precipitation based on the formation and
56 agglomeration of interstitial carbon.
57 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
58 displaced by one quater of the volume diagonal.
59 in the case of SiC, one of the fcc lattice sites is occupied by carbon atoms.
60 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
61 in total, this results in a only slightly lower silicon density for SiC.
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63 the mechanism is schematically displayed.
64 a pair of black dots represent two atoms of the two fcc lattices.
65 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
66 sharing regular silicon lattice sites.
67 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
68 indicated by dark contrasts in an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
69 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
70 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
71 and precipitation occurs.
72 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
73 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
74 due to the slightly lower silicon density of SiC,
75 precipitation is accompanied by the emission of only a few excess silicon atoms
76 into the silicon host, since there is more space.
77 #it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
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81 however, controversial findings and conclusions exist in the literature.
82 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
83 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
84 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
85 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
86 investigations of the annealing behavior of implantations
87 at different temperatures show high and zero carbon diffusion
88 for the room temperature and elevated temperature implantations respectively.
89 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
90 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
91 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
92 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
93 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
94 accompanied by strain relaxation.
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96 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
97 instead of interstitial carbon atoms.
98 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
99 in the context of these controversial results.
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103 therefore, atomistic simulations are utilized,
104 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
105 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
106 calculations, which are explained on the following slides, are used
107 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
108 directly model SiC precipitation.
109 finally, after these results are presented,
110 a short summary and conclusion is given.
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114 in md, a system of n particles is described on the microscopic level
115 by numerically integrating newtons equations of motion.
116 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
117 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
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119 in this case roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
120 and nearly a quater of a million atoms for the precipitation simulations.
121 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
122 with a time step of 1 fs.
123 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
124 developed by erhart and albe.
125 the short range character is achieved by a cutoff function,
126 which drops the interaction inbetween the first and next neighbor atom.
127 #the potential consists of a repulsive and an attractive part associated with
128 #the bonding, which is limited by the bond order term, which takes
129 #into consideration all atoms k influencing the bond of atoms i and j.
130 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
131 realized by the berendsen thermostat and barostat.
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133 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
134 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
135 electron density, which minimizes the energy,
136 i.e. it has the variational property.
137 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
138 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting electrons to
139 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
140 however formally exact by introducing an energy functional,
141 which accounts for the exchange and correlation energy.
142 #the effective potential yields a ground-state density
143 #for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons
144 #in the external potential.
145 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
146
147 the vasp code is used for this purpose.
148 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
149 an energy cut-off of 300 eV is employed.
150 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
151 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
152 brillouin zone sampling is restricted to the gamma point.
153 the supercell consists of 216 atoms, 3 silicon unit cells in each direction,
154 of course much less atoms compared to the highly efficient md technique.
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158 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon
159 with temperature and pressure set to zero.
160 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
161 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
162 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
163
164 next to the structure, defects can be characterized by formation energies,
165 which is defined by this formula, where the chemical potential
166 is taken to be the cohesive energy per atom of the fully relaxed structure.
167
168 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
169 the difference of the formation energy of the defect combination and
170 the isolated defects.
171 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
172 configurations whereas the binding energy for non-interacting isolated defects
173 approaches zero.
174
175 migration barriers from one stable configuration into another
176 are obtained by the constrained relaxation technique.
177 atoms involving great structural changes are displaced stepwise
178 from the starting to the final position and relaxation is only allowed
179 perpendicular to the displacement direction.
180 each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
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184 the method has been used to investigate, amongst others,
185 carbon interstitial defects in silicon.
186 both methods provide the correct order of the formation energies
187 and find the 100 db to be the ground state.
188 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
189 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
190 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
191 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
192 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
193 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
194 relaxing into the 110 db configuration.
195 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
196 the wrong description is not posing a serious limitation.
197 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
198 has the lowest formation energy for both methods, although, 
199 it is drastically underestimated in the empirical approach.
200 this might be a problem concerning the clarification of the controversial views
201 of participation of Cs in the precipitation mechanism.
202 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
203 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
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207 as a next step, the Ci mobility is determined by the quantum mechanical method.
208 two of the intuitively guessed migration pathways of a carbon 00-1 db,
209 and the corresponding activation energies are shown.
210
211 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
212 crossing the bc configuration.
213 due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
214 configuration.
215 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
216 actually another barrier exists to reach a 100 type configuration.
217
218 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
219 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
220 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
221 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
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225 the situation changes completely for the classical description.
226 path number one, from the 00-1 to bc configuration
227 shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
228 next to the fact, that this is a different pathway,
229 the barrier is 2.4 times higher than the experimental and ab inito results.
230
231 however, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
232 relaxing into the 110 db configuration.
233 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
234 is close to the 110 db structure.
235
236 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
237 this migration is displayed here,
238 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
239 configuration.
240 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
241 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
242 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
243 migration path in the ea description.
244 after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
245
246 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
247 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
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250
251 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
252 of possible point defects and respective combinations.
253 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
254 and further types of defects,
255 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
256 the investigations are restricted to dft calculations.
257 energetically favorable and unfavorable configurations,
258 determined by the binding energies,
259 can be explained by stress compensation and increase respetively.
260
261 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
262 favorable.
263 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
264 however, due to high migration barriers or energetically unfavorable
265 intermediate configurations to obtain this configuration,
266 only a low probability is assumed for C-C clustering.
267
268 in contrast, for the second most favorable configuration,
269 a migration path with a low barrier exists.
270 moreover, within the systematically investigated configuration space, 
271 this type of defect pair is represented two times more often
272 than the ground state.
273
274 the results suggest that agglomeration of Ci indeed is expected.
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278 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
279 separated along the 110 direction with respect to the C-C distance.
280 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
281 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
282 possible distance, i.e. the ground state.
283 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
284 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
285 between the two lowest separation distances of the defects.
286
287 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
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290
291 if a vacancy is created next to the Ci defect,
292 a situation absolutely conceivable in ibs,
293 the obtained structure will most likely turn into the Cs configuration.
294 if the vacancy is created at position 1, the Cs configuration is directly
295 obtained in the relaxation process.
296 if it is created at other positions, e.g. 2 and 3,
297 only low barriers are necessary for a transition into the Cs configuration
298 whereas high barriers are necessary for the reverse process.
299
300 based on this, a high probability for the formation of Cs,
301 which is found to be extremely stable, must be concluded.
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305 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
306 again, a situation which is very likely to arise due to implantation.
307 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
308 constitutes the energetically most favirable configuration,
309 which, however, is still less favorable than the Ci 100 db,
310 in which the silicon and carbon atom share a single lattice site.
311 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
312 indicating a low capture radius.
313 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
314 thus, Cs and Si_i, which do not react into the ground state,
315 constitute most likely configurations to be found in ibs.
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317 this is supported by a low migration barrier necessary for the transition
318 from the ground state Ci 100 db into the configuration of Cs and Si_i.
319 in addition, a low migration barrier of the interstitial silicon,
320 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
321
322 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and a Si_i db,
323 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
324 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
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328 once more, this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
329 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
330 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
331 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
332
333 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
334 to structural formation increases, which might result in a spatial separation,
335 even for defects located within the capture radius.
336
337 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
338 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
339 of precipitation due to its high probability of incidence.
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343 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
344 by successive insertion of 6000 C atoms,
345 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
346 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
347 insertion is realized at constant temperature.
348 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
349 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
350 due to the high amount of particles,
351 the classical potential is exclusively used.
352 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
353 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
354 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
355 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
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359 the radial distribution Si-C, C-C and Si-Si bonds of simulations,
360 in which C was inserted at 450 dc,
361 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
362
363 for the low C concentration simulation, i.e. the v1 simulation,
364 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
365 which is obvious by comparing it to the
366 reference distribution generated by a single Ci defect.
367 the second peak is a cut-off artifact,
368 correpsonding to the Si-C cut-off distance of 0.26 nm.
369 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
370 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
371 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
372 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
373 which is represented by nonzero values in the correlation function.
374
375 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
376 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
377
378 turning to the high C concentration simulations, i.e. the v1 and v2 simulation,
379 a high amount of strongly bound C-C bonds
380 as in graphite or diamond are observed.
381 an increased defect and damage density is obtained,
382 which makes it hard to categorize and trace defect arrangements.
383 only short range orde is observed.
384 and, indeed, comparing to other distribution data, an amorphous SiC-like
385 phase is obtained.
386
387 slide 23
388
389 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
390 in the v1 simulation, formation of Ci indeed occurs, however,
391 agglomeration is missing.
392 in the high concentration simulation, an amorphous SiC-like structure,
393 which is not expected at 450 dc, is obtained.
394 no rearrangemnt into crystalline cubic SiC is indicated.
395
396 slide 24
397
398 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
399
400 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general.
401 to minimize the integration error, the time step must be chosen smaller
402 than the reciprocal of the fastes vibrational mode.
403 several local minima exist, which are separated by large energy barriers.
404 due to the low probability for escaping such a local minimum,
405 a transition event correpsonds to a multiple of vibrational periods.
406 a phase transition, in turn, consists of many such infrequent transition events.
407 new accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on,
408 have been developed to bypass the time scale problem while retaining proper
409 thermodynamic sampling.
410
411 in addition, the overestimated diffusion barriers,
412 due to the short range character of the potential,
413 intensify this problem, which I called:
414 potential enhanced slow phase space propagation.
415
416 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
417 without possible corrections.
418 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
419 are assumed oto be not sufficient.
420 moreover, to legitimate the usage of increased temperatures:
421 cubic SiC is also observed for higher temperatures,
422 there is definitely a higher temperature inside the sample, and, anyways,
423 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
424
425 slide 25
426
427 and indeed, promising changes are observed by comparing,
428 again the radial distribution data of Si-C, Si-Si and C-C bonds
429 for temperatures up to 2050 dc.
430 first of all, the cut-off artifact disappears.
431 more important, a transition a 100 db into a Cs dominated structure takes place,
432 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks.
433
434 the Si-Si rising peak at 0.325 nm is due to two Si atoms next to a Cs atom.
435
436 the C-C next neighbor pairs are reduced,
437 which is mandatory for cubic SiC formation.
438 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances.
439 the amount of bonds due to Ci 100 combinations, represented by dashed arrows,
440 decreases accompanied by an increase of bonds due to combinations of
441 Ci 100 and Cs and pure Cs combinations, represented by the dashed line and
442 solid arrows respectively.
443 increasing values in the range between the dashed line and first solid arrow
444 correpsond to bonds of a Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
445
446 slide 26
447
448 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
449 are directly observed.
450 therefore, an increased participation of Cs is suggested
451 for implantations at elevated temperatures,
452 which simulate the conditions prevalent in ibs that deviate the system
453 from thermodynamic equilibrium enabling Ci to turn into Cs.
454
455 the emission of Si_i serves several needs:
456 as a vehicle to rearrange the Cs,
457 realized by recombination into the highly mobile Ci configuration.
458 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
459 or further SiC formation.
460 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
461 or in the stretched SiC structure, which, again,
462 was diretly observed in simulation.
463
464 this perfectly explains the results of the annealing experiments
465 stated in the beginning of this talk.
466 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
467 configurations are formed.
468
469 to summarize, the results suggest that Cs plays an important role
470 in the precipitation process.
471 moreover, high temperatures are necessary to model ibs conditions,
472 which are far from equilibrium.
473
474 slide 27
475
476 to summarize and conclude ...
477
478 slide 28
479
480 finally, I would like to say thank you.
481
482
483
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485
486 slide X polytypes
487
488 although the local order of the silicon and carbon atoms
489 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
490 more than 250 different polytypes exist,
491 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
492 identical, close-packed SiC bilayers,
493 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
494 the 3c polytype is the only cubic polytype.
495
496 different polytypes exhibit different properties,
497 which are listed in the table
498 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
499 SiC clearly outperforms silicon.
500 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
501 break down field and saturation drift velocity.
502 additionally, these properties are isotropic.
503 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
504 high-performance electronic devices.
505
506 slide X silicon self interstitials
507
508 in the following, structures and formation energies
509 of silicon self-interstitial defects are shown.
510 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
511 which are within the same order of magnitude.
512 however, discrepancies exist.
513 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
514 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
515 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
516 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
517 a known problem, which arises due to the cut-off
518 underestimating the closely located second next neighbors.
519 the hexagonal defect is not stable
520 opposed to results of the authors of the potential.
521 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
522 begins to move towards a more favoarble position,
523 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
524 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
525 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
526 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
527 tetrahedral configuration.
528 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
529 in the following investigations of defect combinations.
530
531 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
532
533 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
534 obtained by both methods.
535 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
536 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
537 of course, the classical potential is not able to reproduce
538 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
539
540 more important, the bc configuration is found to constitute
541 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
542 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
543 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
544 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
545 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
546 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
547