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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.
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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25 #(nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).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 here in augsburg in the group of joerg lindner.
37 even an optimized two-step implantation process was suggested.
38 the trick is to destroy stable precipitates
39 that formed at the layer interface during the first implantation step
40 by implanting the low remaining amount of the regular dose at lower temperatures
41 to enable redistribution of the C atoms during annealing,
42 which results in a homogeneous SiC layer with a sharp interface
43 as you can see in this cross section tem image.
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45 however, already the precipitation, at elevated temperatures,
46 is not yet fully understood.
47 detailed understanding of the effective underlying processes of precipitation
48 might enable significant progress in thin film formation of cubic SiC
49 and likewise offer perspectives for processes that rely upon prevention
50 of SiC precipitation, for example the fabrication of strained silicon.
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54 there is an assumed mechanism of precipitation based on the formation and
55 agglomeration of interstitial carbon.
56 first note, however, that silicon as well as SiC consists of two fcc lattices
57 displaced by one quater of the volume diagonal.
58 in the case of SiC, one of the fcc lattice sites is occupied by carbon atoms.
59 4 lattice constants of silicon correspond to 5 lattice constants of SiC.
60 in total, this results in a only slightly lower silicon density for SiC.
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62 the mechanism is schematically displayed.
63 a pair of black dots represents two atoms of the two fcc lattices.
64 the incorporated carbon atoms form C-Si dumbbells
65 sharing regular silicon lattice sites.
66 with increasing dose and time these dumbbells agglomerate into large clusters,
67 indicated by dark contrasts in an otherwise undisturbed lattice in hrtem. 
68 once a critical radius of 2-4 nm is reached,
69 the interfacial energy due to the lattice mismatch is overcome
70 and precipitation occurs.
71 this is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of
72 moire patterns, again due to the lattice mismatch of SiC and silicon.
73 due to the slightly lower silicon density of SiC,
74 precipitation is accompanied by the emission of only a few excess silicon atoms
75 into the silicon host, since there is more space.
76 #it is worth to note that the hkl planes of substrate and SiC match.
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80 however, controversial findings and conclusions exist in the literature.
81 instead of a carbon interstitial (Ci) based mechanism,
82 nejim et al propose a transformation based on substitutionally incorporated
83 carbon (Cs) and the generation of interstitial silicon,
84 which reacts with further impanted carbon in the cleared volume.
85 investigations of the annealing behavior of implantations
86 at different temperatures show high and zero carbon diffusion
87 for the room temperature and elevated temperature implantations respectively.
88 this suggests the formation of mobile Ci at low temperatures
89 opposed to much more stable Cs configurations at elevated temperatures.
90 furthermore, investigations of strained SiC/Si heterostructures,
91 find initial coherent SiC structures, which, in this case,
92 incidentally transform into incoherent SiC nanocrystals
93 accompanied by strain relaxation.
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95 these findings suggest a mechanism based on the agglomeration of substitutional
96 instead of interstitial carbon.
97 the task of the present study is to understand the precipitation mechanism
98 in the context of these controversial results.
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102 therefore, atomistic simulations are utilized,
103 to gain insight on a microscopic level not accessible by experiment.
104 namely, molecular dynamics (md) simulations and density functional theory (dft)
105 calculations, which are explained on the following slides, are used
106 to investigate carbon and silicon defect configurations as well as to
107 directly model SiC precipitation.
108 finally, after some selected results are presented,
109 a short summary and conclusion is given.
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113 in md, a system of n particles is described on the microscopic level
114 by numerically integrating newtons equations of motion.
115 the particle interaction is given by an analytical interaction potential.
116 observables are obtained by taking time or ensemble averages.
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118 in this case roughly 6000 atoms were used to investigate defect structures
119 and nearly a quater of a million atoms for the precipitation simulations.
120 the equations of motion are integrated by the velocity verlet algorithm
121 with a time step of 1 fs.
122 the interaction is decribed by a Tersoff-like short-range bond order potential,
123 developed by erhart and albe.
124 the short range character is achieved by a cutoff function,
125 which drops the interaction to zero inbetween the first and next neighbor atom.
126 #the potential consists of a repulsive and an attractive part associated with
127 #the bonding, which is limited by the bond order term, which takes
128 #into consideration all atoms k influencing the bond of atoms i and j.
129 simulations are performed in the isothermal-isobaric ensemble
130 realized by the berendsen thermostat and barostat.
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132 the basic concept of dft is the hohenberg kohn (hk) theorem, which states that
133 the ground-state wavefunction is a unique functional of the ground-state
134 electron density, which minimizes the energy,
135 i.e. it has the variational property.
136 now, the kohn sham (ks) approach constitutes a hartree-like formulation
137 of the hk minimal principle, which maps the system of interacting electrons to
138 an auxillary system of non-interacting electrons in an effective potential.
139 however formally exact by introducing an energy functional,
140 which accounts for the exchange and correlation energy.
141 #the effective potential yields a ground-state density
142 #for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons
143 #in the external potential.
144 the kohn sham equations need to be solved in a self consistency loop.
145
146 the vasp code is used for this purpose.
147 it utilizes plane waves to expand the ks wavefunctions.
148 an energy cut-off of 300 eV is employed.
149 the electron-ion interaction is described by ultrasoft pseudopotentials.
150 the generalized gradient approximation is used to solve the ks equations.
151 brillouin zone sampling is restricted to the gamma point.
152 the supercell consists of 216 atoms, 3 silicon unit cells in each direction,
153 of course much less atoms compared to the highly efficient md technique.
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157 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon
158 with temperature and pressure set to zero.
159 the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
160 for example at the tetrahedral or heexagonal site,
161 followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
162
163 next to the structure, defects can be characterized by formation energies,
164 which is defined by this formula, where the chemical potential
165 is taken to be the cohesive energy per atom of the fully relaxed structure.
166
167 combinations of defects can be characterized by the binding energy,
168 the difference of the formation energy of the defect combination and
169 the isolated defects.
170 this way, binding energies below zero correspond to energetically favorable
171 configurations whereas the binding energy for non-interacting isolated defects
172 approaches zero.
173
174 migration barriers from one stable configuration into another
175 are obtained by the constrained relaxation technique.
176 atoms involving great structural changes are displaced stepwise
177 from the starting to the final position and relaxation is only allowed
178 perpendicular to the displacement direction.
179 each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
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183 the method has been used to investigate, amongst others,
184 carbon interstitial defects in silicon.
185 both methods provide the correct order of the formation energies
186 and find the 100 db to be the ground state.
187 the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
188 the tetrahedral configuration is found to be unstable 
189 in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
190 shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
191 the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
192 a stable configuration but is found unstable in the classical description,
193 relaxing into the 110 db configuration.
194 however, again, the formation energy is quite high and, thus,
195 the wrong description is not posing a serious limitation.
196 the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
197 has the lowest formation energy for both methods, although, 
198 it is drastically underestimated in the empirical approach.
199 this might be a problem concerning the clarification of the controversial views
200 of participation of Cs in the precipitation mechanism.
201 however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
202 by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
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206 as a next step, the Ci mobility is determined by the quantum mechanical method.
207 two of the intuitively guessed migration pathways of a carbon 00-1 db,
208 and the corresponding activation energies are shown.
209
210 in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
211 crossing the bc configuration.
212 due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
213 configuration.
214 an activation energy of 1.2 eV is obtained.
215 actually another barrier exists to reach a ground-state configuration.
216
217 in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
218 it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
219 the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
220 thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
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224 the situation changes completely for the classical description.
225 path number one, from the db to the bc configuration
226 shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
227 next to the fact, that this is a different pathway,
228 the barrier is 2.4 times higher than the experimental and ab inito results.
229
230 however, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
231 relaxing into the 110 db configuration.
232 additionally, the observed minimum in the classical 00-1 to 0-10 transition,
233 likewise relaxes into the 110 db structure without constraints.
234
235 this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
236 this migration is displayed here,
237 the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
238 configuration.
239 barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
240 these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
241 however, due to the above reasons, this is considered the most probable
242 migration path in the ea description.
243 after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
244
245 nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
246 by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
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250 implantation of highly energetic carbon atoms results in a multiplicity
251 of possible point defects and respective combinations.
252 thus, in the following, defect combinations of an initial carbon interstitial
253 and further types of defects,
254 created at certain neighbor positions, numbered 1-5, are investigated.
255 the investigations are restricted to dft calculations.
256 energetically favorable and unfavorable configurations,
257 determined by the binding energies,
258 can be explained by stress compensation and increase respetively.
259
260 as can be seen, the agglomeration of interstitial carbon is energetically
261 favorable.
262 the most favorable configuration shows a strong C-C bond.
263 however, high migration barriers or energetically unfavorable
264 intermediate configurations to obtain this configuration are found.
265
266 in contrast, for the second most favorable configuration,
267 a migration path with a low barrier exists.
268 moreover, this type of defect is represented two times more often
269 than the ground state.
270
271 this suggests that agglomeration of Ci indeed is expected.
272
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274
275 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
276 separated along the 110 direction with respect to the C-C distance.
277 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
278 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
279 possible distance, i.e. the ground state.
280 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
281 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
282 between the two lowest separation distances of the defects.
283
284 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
285
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287
288 if a vacancy is created next to the Ci defect,
289 a situation absolutely conceivable in ibs,
290 the obtained structure will most likely turn into the Cs configuration.
291 if the vacancy is created at position 1, the Cs configuration is directly
292 obtained in the relaxation process.
293 if it is created at other positions, e.g. 2 and 3,
294 only low barriers are necessary for a transition into the Cs configuration
295 whereas high barriers are necessary for the reverse process.
296
297 based on this, a high probability for the formation of Cs,
298 which is found to be extremely stable, must be concluded.
299
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302 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
303 again, a situation which is very likely to arise due to implantation.
304 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
305 constitutes the energetically most favirable configuration,
306 which, however, is still less favorable than the Ci 100 ground state.
307 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
308 indicating a low capture radius.
309 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
310 thus, Cs and Si_i, which do not react into the ground state,
311 constitute most likely configurations to be found in ibs.
312
313 this is supported by a low transition barrier from the ground state Ci 100 db
314 into the configuration of Cs and Si_i.
315 the barrier is even smaller than migration barrier for carbon.
316 in addition, a low migration barrier of the interstitial silicon,
317 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
318
319 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and Si_i,
320 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
321 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
322
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324
325 once more, this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
326 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
327 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
328 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
329
330 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
331 to structural formation increases, which might result in a spatial separation,
332 even for defects located within the capture radius.
333
334 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
335 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
336 of precipitation due to its high probability of incidence.
337
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340 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
341 by successive insertion of 6000 C atoms,
342 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
343 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
344 insertion is realized at constant temperature.
345 due to the high amount of particles,
346 the classical potential is exclusively used.
347 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
348 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
349 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
350 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
351 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
352 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
353
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356 the radial distribution of Si-C, C-C and Si-Si bonds of simulations at 450 dc,
357 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
358
359 for the low C concentration simulation, i.e. the v1 simulation,
360 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
361 which is obvious by comparing it to the
362 reference distribution generated by a single Ci defect.
363 the second peak is an artifact due to the  cut-off,
364 correpsonding to the Si-C cut-off distance of 0.26 nm.
365 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
366 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
367 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
368 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
369 which is represented by nonzero values in the correlation function.
370
371 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
372 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
373
374 turning to the high C concentration simulations, i.e. the v1 and v2 simulation,
375 a high amount of strongly bound C-C bonds
376 as in graphite or diamond is observed.
377 due to increased defect and damage densities 
378 defect arrangemnets are hard to categorize and trace.
379 only short range order is observed.
380 and, indeed, by comparing to other distribution data,
381 an amorphous SiC-like phase is identified.
382
383 slide 23
384
385 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
386 in the v1 simulation, formation of Ci indeed occurs, however,
387 agglomeration is missing.
388 in the v2/3 simulations, an amorphous SiC-like structure,
389 which is not expected at 450 dc, is obtained.
390 no rearrangemnt into crystalline cubic SiC is indicated.
391
392 slide 24
393
394 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
395
396 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general.
397 to minimize the integration error, the time step must be chosen smaller
398 than the reciprocal of the fastes vibrational mode.
399 several local minima exist, which are separated by large energy barriers.
400 due to the low probability for escaping such a local minimum,
401 a transition event correpsonds to a multiple of vibrational periods.
402 a phase transition, in turn, consists of many such infrequent transition events.
403 new accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on,
404 have been developed to bypass the time scale problem while retaining proper
405 thermodynamic sampling.
406
407 in addition, the overestimated diffusion barriers,
408 due to the short range character of the potential,
409 intensify this problem, which I called:
410 potential enhanced slow phase space propagation.
411
412 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
413 without possible corrections.
414 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
415 are assumed to be not sufficient.
416 moreover, to legitimate the usage of increased temperatures:
417 cubic SiC is also observed for higher temperatures,
418 there is definitely a higher temperature inside the sample, and, anyways,
419 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
420
421 slide 25
422
423 and indeed, promising changes are observed by comparing,
424 again the radial distribution data for temperatures up to 2050 dc.
425 first of all, the cut-off artifact disappears.
426 more important, a transition from a 100 db into a Cs dominated structure
427 takes place,
428 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks of Cs.
429
430 the rising Si-Si peak at 0.325 nm is due to two Si atoms next to a Cs atom.
431
432 the C-C next neighbor pairs are reduced,
433 which is mandatory for cubic SiC formation.
434 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances.
435 the amount of bonds due to Ci combinations, represented by dashed arrows,
436 decreases accompanied by an increase of bonds due to combinations of
437 Ci and Cs and pure Cs combinations, represented by the dashed line and
438 solid arrows respectively.
439 increasing values in the range between the dashed line and first solid arrow
440 correpsond to bonds of a Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
441
442 slide 26
443
444 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
445 are directly observed.
446 therefore, it is concluded that Cs is extensively involved
447 in the precipitation process for implantations at elevated temperatures.
448
449 the emission of Si_i serves several needs:
450 as a vehicle to rearrange Cs,
451 realized by recombination into the highly mobile Ci configuration.
452 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
453 or further SiC formation.
454 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
455 or in the stretched SiC structure, which, again,
456 was diretly observed in simulation.
457
458 this perfectly explains the results of the annealing experiments
459 stated in the beginning of this talk.
460 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
461 configurations are formed.
462
463 to summarize, the results suggest that Cs plays an important role
464 in the precipitation process.
465 moreover, high temperatures are necessary to model ibs conditions,
466 which are far from equilibrium.
467 the high temperatures deviate the system from thermodynamic equilibrium
468 enabling Ci to turn into Cs.
469
470 slide 27
471
472 to summarize and conclude ...
473 defect structures were described by both methods.
474 the interstitial carbon mmigration path was identified.
475 it turned out that the the diffusion barrier is drastically overestimated
476 within the ea description.
477
478 combinations of defects were investigated by first principles methods.
479 the agglomeration of point defects is energetically favorable.
480 however, substitutional carbon arises in all probability.
481 even transitions from the ground state are very likely to occur.
482
483 concerning the precipitation simulations, the problem of the potential
484 enhanced slow phase space propagation was discussed.
485 by comparing with experiment it is concluded
486 that high temperatures are necessary to model simultae ibs conditions.
487 at elevated temperatures stretched structures of SiC were directly observed
488 in simulation.
489 it is thus concluded that
490 substitutional carbon is heavily involved in the precipitation process.
491 the role of the Si_i was outlined and in one case also directly observed
492 in simulation.
493
494 slide 28
495
496 finally, I would like to thank all of the people listed on this slide.
497
498 thank you for your attention!
499
500
501
502
503
504 slide X polytypes
505
506 although the local order of the silicon and carbon atoms
507 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
508 more than 250 different polytypes exist,
509 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
510 identical, close-packed SiC bilayers,
511 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
512 the 3c polytype is the only cubic polytype.
513
514 different polytypes exhibit different properties,
515 which are listed in the table
516 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
517 SiC clearly outperforms silicon.
518 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
519 break down field and saturation drift velocity.
520 additionally, these properties are isotropic.
521 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
522 high-performance electronic devices.
523
524 slide X silicon self interstitials
525
526 in the following, structures and formation energies
527 of silicon self-interstitial defects are shown.
528 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
529 which are within the same order of magnitude.
530 however, discrepancies exist.
531 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
532 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
533 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
534 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
535 a known problem, which arises due to the cut-off
536 underestimating the closely located second next neighbors.
537 the hexagonal defect is not stable
538 opposed to results of the authors of the potential.
539 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
540 begins to move towards a more favoarble position,
541 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
542 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
543 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
544 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
545 tetrahedral configuration.
546 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
547 in the following investigations of defect combinations.
548
549 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
550
551 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
552 obtained by both methods.
553 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
554 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
555 of course, the classical potential is not able to reproduce
556 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
557
558 more important, the bc configuration is found to constitute
559 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
560 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
561 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
562 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
563 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
564 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
565