Atomistic simulation study on silicon carbide precipitation in silicon

  • Atomistic simulations on silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented. The calculations aim at a comprehensive, microscopic understanding of the precipitation mechanism in the context of controversial discussions in the literature. For the quantum-mechanical treatment, basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size. The migration mechanism of a carbon <1 0 0> interstitial and silicon <1 1 0> self-interstitial in otherwise defect-free silicon are investigated using density functional theory calculations. The influence of a nearby vacancy, another carbon interstitial and a substitutional defect as well as a silicon self-interstitial has been investigated systematically. Interactions of various combinations of defects have been characterized including a couple of selected migration pathways within these configurations. Most of the investigated pairs ofAtomistic simulations on silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented. The calculations aim at a comprehensive, microscopic understanding of the precipitation mechanism in the context of controversial discussions in the literature. For the quantum-mechanical treatment, basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size. The migration mechanism of a carbon <1 0 0> interstitial and silicon <1 1 0> self-interstitial in otherwise defect-free silicon are investigated using density functional theory calculations. The influence of a nearby vacancy, another carbon interstitial and a substitutional defect as well as a silicon self-interstitial has been investigated systematically. Interactions of various combinations of defects have been characterized including a couple of selected migration pathways within these configurations. Most of the investigated pairs of defects tend to agglomerate allowing for a reduction in strain. The formation of structures involving strong carbon-carbon bonds turns out to be very unlikely. In contrast, substitutional carbon occurs in all probability. A long range capture radius has been observed for pairs of interstitial carbon as well as interstitial carbon and vacancies. A rather small capture radius is predicted for substitutional carbon and silicon self-interstitials. Initial assumptions regarding the precipitation mechanism of silicon carbide in bulk silicon are established and conformability to experimental findings is discussed. Furthermore, results of the accurate first-principles calculations on defects and carbon diffusion in silicon are compared to results of classical potential simulations revealing significant limitations of the latter method. An approach to work around this problem is proposed. Finally, results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are examined, which reinforce previous assumptions and give further insight into basic processes involved in the silicon carbide transition.show moreshow less
  • In der vorliegenden Arbeit werden atomistische Simulationen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium mittels klassischen Potentialen und der ab initio Methode vorgestellt. Die Berechnungen zielen auf ein umfassendes, mikroskopisches Verständnis des in der Literatur kontrovers diskutierten Ausscheidungsvorgangs ab. In quantenmechanischen Rechnungen werden Prozesse, die für den Ausscheidungsvorgang als grundlegende Mechanismen angenommen werden, in Systemen mit zugänglicher Größe untersucht. Der Migrationspfad eines Kohlenstoff <1 0 0> und Silizium <1 1 0> Zwischengitteratoms in ansonsten defektfreien Silizium werden mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen untersucht. Der Einfluss einer nahegelegenen Leerstelle, eines weiteren Kohlenstoff und Silizium Zwischengitteratoms sowie eines substitutionellen Kohlenstoffdefekts wird systematisch bestimmt. Die Wechselwirkungen der verschiedensten Defektkombinationen einschließlich einiger ausgewählter Migrationspfade zwischenIn der vorliegenden Arbeit werden atomistische Simulationen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium mittels klassischen Potentialen und der ab initio Methode vorgestellt. Die Berechnungen zielen auf ein umfassendes, mikroskopisches Verständnis des in der Literatur kontrovers diskutierten Ausscheidungsvorgangs ab. In quantenmechanischen Rechnungen werden Prozesse, die für den Ausscheidungsvorgang als grundlegende Mechanismen angenommen werden, in Systemen mit zugänglicher Größe untersucht. Der Migrationspfad eines Kohlenstoff <1 0 0> und Silizium <1 1 0> Zwischengitteratoms in ansonsten defektfreien Silizium werden mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen untersucht. Der Einfluss einer nahegelegenen Leerstelle, eines weiteren Kohlenstoff und Silizium Zwischengitteratoms sowie eines substitutionellen Kohlenstoffdefekts wird systematisch bestimmt. Die Wechselwirkungen der verschiedensten Defektkombinationen einschließlich einiger ausgewählter Migrationspfade zwischen einzelnen dieser Konfigurationen werden charakterisiert. Eine Vielzahl der untersuchten Defektpaare neigen unter Abbau von Gitterspannungen dazu, sich anzuhäufen. Die Ausbildung von Strukturen mit starken Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen stellt sich als unwahrscheinlich heraus. Im Gegensatz dazu tritt substitutioneller Kohlenstoff mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf. Für Paare aus Kohlenstoff Zwischengitteratomen ist ein langreichweitiger Einfangradius erkennbar, genauso wie zwischen Leerstelle und Kohlenstoff Zwischengitteratom. Ein dagegen kleiner Einfangradius wird für Kohlenstoff und Silizium Zwischengitterdefekte vorhergesagt. Erste Annahmen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium werden getätigt und mit experimentellen Befunden in Einklang gebracht. Weiterhin werden die präzisen ab initio Rechnungen zu den Defektkonfigurationen und der Kohlenstoffdiffusion in Silizium mit Ergebnissen der Rechnungen unter Verwendung des klassischen Potentials verglichen und damit erhebliche Einschränkungen letztgenannter Methode enthüllt. Daraufhin wird ein möglicher Ansatz zum Übergehen der Einschränkungen diskutiert. Schließlich werden dann die Ergebnisse der molekulardynamischen Simulationen auf Basis des klassischen Potentials und angewendet auf große Systeme untersucht, welche die vorhergehenden Annahmen bestätigen und darüber hinaus weitere Erkenntnisse über die grundlegenden, an der Transformation zu Siliziumcarbid beteiligten Mechanismen, geben.show moreshow less

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Metadaten
Author:Frank Zirkelbach
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-16189
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/1618
Title Additional (German):Atomistische Simulationen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium
Advisor:Bernd Stritzker
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2012/01/10
Release Date:2012/05/23
Tag:carbon; silicon; silicon carbide; diffusion; density functional theory; empirical potential; molecular dynamics simulation; precipitation
GND-Keyword:Kohlenstoff; Silicium; Siliciumcarbid; Gitterbaufehler; Diffusion; Dichtefunktionalformalismus; Molekulardynamik; Computersimulation
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht mit Print on Demand