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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25 #(nowadays superceded by direct band gap materials like GaN).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.
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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
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 00-1 to 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 is close to the 110 db structure.
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.
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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, due to high migration barriers or energetically unfavorable
264 intermediate configurations to obtain this configuration,
265 only a low probability is assumed for C-C clustering.
266
267 in contrast, for the second most favorable configuration,
268 a migration path with a low barrier exists.
269 moreover, within the systematically investigated configuration space, 
270 this type of defect pair is represented two times more often
271 than the ground state.
272
273 the results suggest that agglomeration of Ci indeed is expected.
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277 this is reinforced by the plot of the binding energy of Ci dbs
278 separated along the 110 direction with respect to the C-C distance.
279 the interaction is found to be proportional to the reciprocal cube
280 of the distance for extended separations and saturates for the smallest
281 possible distance, i.e. the ground state.
282 a capture radius clearly exceeding 1 nm is observed.
283 the interpolated graph suggests the disappearance of attractive forces
284 between the two lowest separation distances of the defects.
285
286 this supports the assumption of C agglomeration and the absence of C clustering.
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290 if a vacancy is created next to the Ci defect,
291 a situation absolutely conceivable in ibs,
292 the obtained structure will most likely turn into the Cs configuration.
293 if the vacancy is created at position 1, the Cs configuration is directly
294 obtained in the relaxation process.
295 if it is created at other positions, e.g. 2 and 3,
296 only low barriers are necessary for a transition into the Cs configuration
297 whereas high barriers are necessary for the reverse process.
298
299 based on this, a high probability for the formation of Cs,
300 which is found to be extremely stable, must be concluded.
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304 in addition, it is instructive to look at combinations of Cs and Si_i,
305 again, a situation which is very likely to arise due to implantation.
306 Cs located right next to the 110 Si db within the 110 chain
307 constitutes the energetically most favirable configuration,
308 which, however, is still less favorable than the Ci 100 db,
309 in which the silicon and carbon atom share a single lattice site.
310 however, the interaction of C_s and Si_i drops quickly to zero
311 indicating a low capture radius.
312 in ibs, configurations exceedinig this separation distance are easily produced.
313 thus, Cs and Si_i, which do not react into the ground state,
314 constitute most likely configurations to be found in ibs.
315
316 this is supported by a low migration barrier necessary for the transition
317 from the ground state Ci 100 db into the configuration of Cs and Si_i.
318 in addition, a low migration barrier of the interstitial silicon,
319 enables configurations of further separated Cs and Si_i defects.
320
321 in total, these findings demonstrate that configurations of Cs and a Si_i db,
322 instead of the thermodynamic ground state, play an important role in ibs,
323 which indeed constitutes a process far from equilibrium.
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327 once more, this is supported by results of an ab inito md simulation at 900 dc.
328 the initial configuration of Cs and Si_i does not recombine into the gs,
329 instead, the defects are separated by more than 4 neighbor distances
330 realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si_i dbs.
331
332 clearly, at higher temperatures, the contribution of entropy
333 to structural formation increases, which might result in a spatial separation,
334 even for defects located within the capture radius.
335
336 to conclude, the results of the investigations of defect combinations
337 suggest an increased participation of Cs already in the initial stage
338 of precipitation due to its high probability of incidence.
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342 as a last task, reproducing the SiC precipitation is attempted
343 by successive insertion of 6000 C atoms,
344 the number necessary to form a  precipitate with a radius of approximately 3 nm,
345 into a supercell consisting of 31 Si unit cells in each direction.
346 insertion is realized at constant temperature.
347 after insertion, the simulation is continued for 100 ps
348 follwed by a cooling sequence downto 20 degrees celsius.
349 due to the high amount of particles,
350 the classical potential is exclusively used.
351 since low carbon diffusion due to the overestimated barriers is expected,
352 insertion volumes v2 and v3 next to the total volume v1 are considered.
353 v2 corresponds to the minimal precipiatte size.
354 v3 contains the amount of silicon atoms to form such a minimal precipitate.
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357
358 the radial distribution Si-C, C-C and Si-Si bonds of simulations,
359 in which C was inserted at 450 dc,
360 an operative and efficient temperature in ibs, are shown.
361
362 for the low C concentration simulation, i.e. the v1 simulation,
363 a clearly 100 C-Si db dominated structure is obtained,
364 which is obvious by comparing it to the
365 reference distribution generated by a single Ci defect.
366 the second peak is a cut-off artifact,
367 correpsonding to the Si-C cut-off distance of 0.26 nm.
368 the C-C peak at 0.31 nm, as expected in cubic SiC,
369 is generated by concatenated, differently oriented Ci dbs.
370 the same distance is also expected for the Si atoms, and, indeed,
371 the db structure stretches the Si-Si next neighbor distance,
372 which is represented by nonzero values in the correlation function.
373
374 so, the formation of Ci dumbbells indeed occurs.
375 even the C atoms are already found in a separation as expected in cubic SiC.
376
377 turning to the high C concentration simulations, i.e. the v1 and v2 simulation,
378 a high amount of strongly bound C-C bonds
379 as in graphite or diamond are observed.
380 an increased defect and damage density is obtained,
381 which makes it hard to categorize and trace defect arrangements.
382 only short range orde is observed.
383 and, indeed, comparing to other distribution data, an amorphous SiC-like
384 phase is obtained.
385
386 slide 23
387
388 to summarize, the formation of cubic SiC fails to appear.
389 in the v1 simulation, formation of Ci indeed occurs, however,
390 agglomeration is missing.
391 in the high concentration simulation, an amorphous SiC-like structure,
392 which is not expected at 450 dc, is obtained.
393 no rearrangemnt into crystalline cubic SiC is indicated.
394
395 slide 24
396
397 having a closer look, there are two obvious reasons for this obstacle.
398
399 first of all, there is the time scale problem inherent to md in general.
400 to minimize the integration error, the time step must be chosen smaller
401 than the reciprocal of the fastes vibrational mode.
402 several local minima exist, which are separated by large energy barriers.
403 due to the low probability for escaping such a local minimum,
404 a transition event correpsonds to a multiple of vibrational periods.
405 a phase transition, in turn, consists of many such infrequent transition events.
406 new accelerated methods, like temperature accelerated MD and so on,
407 have been developed to bypass the time scale problem while retaining proper
408 thermodynamic sampling.
409
410 in addition, the overestimated diffusion barriers,
411 due to the short range character of the potential,
412 intensify this problem, which I called:
413 potential enhanced slow phase space propagation.
414
415 the approach used in this study is to simply increase the temperature, however,
416 without possible corrections.
417 accelerated methods or higher time scales applied exclusively
418 are assumed oto be not sufficient.
419 moreover, to legitimate the usage of increased temperatures:
420 cubic SiC is also observed for higher temperatures,
421 there is definitely a higher temperature inside the sample, and, anyways,
422 structural evolution instead of equilibrium properties are matter of interest.
423
424 slide 25
425
426 and indeed, promising changes are observed by comparing,
427 again the radial distribution data of Si-C, Si-Si and C-C bonds
428 for temperatures up to 2050 dc.
429 first of all, the cut-off artifact disappears.
430 more important, a transition a 100 db into a Cs dominated structure takes place,
431 as can be seen by direct comparison with the respective reference peaks.
432
433 the Si-Si rising peak at 0.325 nm is due to two Si atoms next to a Cs atom.
434
435 the C-C next neighbor pairs are reduced,
436 which is mandatory for cubic SiC formation.
437 the peak at roughly 0.3 nm gets slightly shifter to higher distances.
438 the amount of bonds due to Ci 100 combinations, represented by dashed arrows,
439 decreases accompanied by an increase of bonds due to combinations of
440 Ci 100 and Cs and pure Cs combinations, represented by the dashed line and
441 solid arrows respectively.
442 increasing values in the range between the dashed line and first solid arrow
443 correpsond to bonds of a Cs and another Cs with a nearby Si_i atom.
444
445 slide 26
446
447 to conclude, stretched coherent structures of SiC embedded in the Si host
448 are directly observed.
449 therefore, an increased participation of Cs is suggested
450 for implantations at elevated temperatures,
451 which simulate the conditions prevalent in ibs that deviate the system
452 from thermodynamic equilibrium enabling Ci to turn into Cs.
453
454 the emission of Si_i serves several needs:
455 as a vehicle to rearrange the Cs,
456 realized by recombination into the highly mobile Ci configuration.
457 furthermore, it serves as a building block for the surrounding Si host
458 or further SiC formation.
459 finally, it may compensate stress at the Si/SiC interface
460 or in the stretched SiC structure, which, again,
461 was diretly observed in simulation.
462
463 this perfectly explains the results of the annealing experiments
464 stated in the beginning of this talk.
465 at low temperatures highly mobile Ci whereas at high temperatures stable Cs
466 configurations are formed.
467
468 to summarize, the results suggest that Cs plays an important role
469 in the precipitation process.
470 moreover, high temperatures are necessary to model ibs conditions,
471 which are far from equilibrium.
472
473 slide 27
474
475 to summarize and conclude ...
476
477 slide 28
478
479 finally, I would like to say thank you.
480
481
482
483
484
485 slide X polytypes
486
487 although the local order of the silicon and carbon atoms
488 characterized by the tetrahedral bond is always the same,
489 more than 250 different polytypes exist,
490 which differ in the one-dimensional stacking sequence of
491 identical, close-packed SiC bilayers,
492 the stacking sequence of the most important polytypes is displayed here.
493 the 3c polytype is the only cubic polytype.
494
495 different polytypes exhibit different properties,
496 which are listed in the table
497 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
498 SiC clearly outperforms silicon.
499 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
500 break down field and saturation drift velocity.
501 additionally, these properties are isotropic.
502 thus, the cubic polytype is considered most effective for highly efficient
503 high-performance electronic devices.
504
505 slide X silicon self interstitials
506
507 in the following, structures and formation energies
508 of silicon self-interstitial defects are shown.
509 the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
510 which are within the same order of magnitude.
511 however, discrepancies exist.
512 quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
513 as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
514 configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
515 in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
516 a known problem, which arises due to the cut-off
517 underestimating the closely located second next neighbors.
518 the hexagonal defect is not stable
519 opposed to results of the authors of the potential.
520 first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
521 begins to move towards a more favoarble position,
522 close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
523 this energy is equal to the formation energy given in the original work.
524 this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
525 in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
526 tetrahedral configuration.
527 nevertheless, all these discrepancies have to be taken into account
528 in the following investigations of defect combinations.
529
530 slide X quantum mechanical details of 100 and bc
531
532 it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
533 obtained by both methods.
534 while the carbon-silicon distance of the db is equal,
535 the db position inside the tetrahedron differs significantly.
536 of course, the classical potential is not able to reproduce
537 the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
538
539 more important, the bc configuration is found to constitute
540 a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
541 this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
542 however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
543 considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
544 this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
545 which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
546