Ab initio-Theory of Point Defects and Defect Complexes in SiC

Ab initio-Theorie der Punktdefekte und Defektkomplexe in SiC

  • The work investigates the intrinsic and extrinsic defects in SiC by means of an ab initio approach based on density functional theory. This includes the study of the migration of the defects as well as the impact of the intrinsic defects on the annealing of the implantation damage and on the dopant diffusion. The vibrational signatures of carbon-related defects and defect aggregates are obtained, allowing a comparison with the photoluminescence data. We show in this work that the silicon and the carbon interstitials play an important role in all diffusion-related processes in SiC. We find that silicon self-diffusion in p-type and intrinsic material is driven by interstitials, while in n-typeThe work investigates the intrinsic and extrinsic defects in SiC by means of an ab initio approach based on density functional theory. This includes the study of the migration of the defects as well as the impact of the intrinsic defects on the annealing of the implantation damage and on the dopant diffusion. The vibrational signatures of carbon-related defects and defect aggregates are obtained, allowing a comparison with the photoluminescence data. We show in this work that the silicon and the carbon interstitials play an important role in all diffusion-related processes in SiC. We find that silicon self-diffusion in p-type and intrinsic material is driven by interstitials, while in n-type material an interstitial mechanism and a vacancy mechanism compete. Carbon always migrates via an interstitial mechanism, regardless the Fermi level position and the stoichiometry. We find that the diffusivity of the carbon interstitial is much higher than that of the silicon interstitial due to significantly lower migration barriers. We deduce a hierarchy of the various annealing mechanisms, i.e. the vacancy-interstitial recombination, the transformation of the defects into other stable defect configurations and the migration to sinks. While for the carbon vacancy the recombination with interstitials always is the first annealing stage, we find that for a silicon vacancy the annealing behaviour depends on the Fermi level. While in p-type material the transformation into a vacancy-antisite complex dominates, in intrinsic and n-type materials the recombination with interstitials prevails. We find that the energetics of the recombination depends on the initial distance between the vacancy and the interstitial. For close pairs it is small and increases towards the value of the migration barrier for distant pairs. The last annealing stage is always the onset of the migration of the defect. This picture consistently explains the complex annealing behaviour of the T1 EPR center in 3C-SiC. The self-interstitials are also important for the dopant migration. Considering boron as an example, we find that it migrates via a kick-out mechanism where both silicon and carbon interstitials can initiate the diffusion. The effect of the interstitials is thereby restricted to the respective sublattice. We find that boron migrates in a positively charged state, which is in agreement with experimental results. In the hexagonal polytype we predict an anisotropic dopant diffusion due to the strong dependence of the formation energy of the dopant split-interstitials on the orientation relative to the hexagonal axis. A further important finding is that the mobile carbon interstitials can aggregate and form stable clusters. We find two different types of clusters. One type are the carbon interstitial clusters, the other type are the carbon clusters around carbon-antisite positions. The carbon aggregates can significantly affect the annealing of the implantation damage. They can trap the mobile carbon interstitials at a lower temperature and re-emit them again at a higher temperature. In addition, the carbon clusters are persistent defect centers. Due to the low carbon mass and the strong bonds they give rise to distinct vibrational modes above the SiC bulk phonon spectrum which should allow their observation in photoluminescence experiments. We analyse the localised vibrational modes and investigate the isotope shifts which result from the incorporation of ^{13}C. We find that the di-carbon antisite complex shows a LVM spectrum which is comparable to the universal lines of the D_{II} center. It cannot explain the whole D_{II} spectrum, but describes the important universal core features of the center. We propose that the origin of the D_{II} center is a larger carbon aggregate with the di-carbon antisite as the core structure. Both the di-carbon antisite and the carbon split-interstitial are discussed as models of the P-T centers. The defects possess LVMs at appropriate frequencies. However, we find that the isotope splitting of the di-carbon antisite is incompatible with the isotope splitting observed for the P-T centers. On the contrary, the isotope splitting of the carbon split-interstitial agrees with the experimentally observed results. The investigation of small antisite clusters like the tri-carbon antisite reveals that vibrational frequencies up to 250meV should be observed from the carbon-based defects. The highest LVM of this defect and its threefold isotope splitting are in excellent agreement with the high-frequency mode of the U-center. Yet, the additional modes of the tri-carbon antisite are not observed experimentally, so that an unambiguous identification of the center remains to be achieved.show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit untersucht intrinsische und extrinsische Defekte in SiC mittels einer auf der Dichtefunktionaltheorie basierenden ab initio-Methode. Es wird die Migration der intrinsischen Defekte als auch deren Bedeutung für das Ausheilen von Implantationsschäden und für die Dotieratomdiffusion behandelt. Wir berechnen die Schwingungsspektren kohlenstoffbasierter Defekte und Defektaggregate, die wir mit experimentell gemessenen Photolumineszenzspektren vergleichen. Wir zeigen in dieser Arbeit, dass die Silizium- und Kohlenstoff-Zwischengitteratome bei allen Diffusionsprozessen in SiC eine wichtige Rolle spielen. In p-dotiertem und intrinsischem (bzw. kompensiertem) SiC wird die SilizDie vorliegende Arbeit untersucht intrinsische und extrinsische Defekte in SiC mittels einer auf der Dichtefunktionaltheorie basierenden ab initio-Methode. Es wird die Migration der intrinsischen Defekte als auch deren Bedeutung für das Ausheilen von Implantationsschäden und für die Dotieratomdiffusion behandelt. Wir berechnen die Schwingungsspektren kohlenstoffbasierter Defekte und Defektaggregate, die wir mit experimentell gemessenen Photolumineszenzspektren vergleichen. Wir zeigen in dieser Arbeit, dass die Silizium- und Kohlenstoff-Zwischengitteratome bei allen Diffusionsprozessen in SiC eine wichtige Rolle spielen. In p-dotiertem und intrinsischem (bzw. kompensiertem) SiC wird die Silizium-Selbstdiffusion durch Silizium-Zwischengitteratome vermittelt, während in n-dotiertem SiC der Zwischengitter- und der Leerstellenmechanismus konkurrieren. Kohlenstoff diffundiert unabhängig vom Fermi-Niveau und der Kristall-Stöchiometrie immer über Zwischengitteratome. Die Diffusivität der Kohlenstoff-Zwischengitteratome ist durch die niedrigere Migrationsbarriere wesentlich höher ist als die der Silizium-Zwischengitteratome. Des weiteren erstellen wir in dieser Arbeit eine Hierarchie möglicher Ausheilmechanismen. Dies umfasst die Rekombination von Leerstellen mit Zwischengitteratomen, die Umwandlung der Defekte in andere stabile Defektkonfigurationen und die Diffusion der Defekte zu Senken. Während bei der Kohlenstoffleerstelle die Rekombination mit Zwischengitteratomen immer den ersten Ausheilschritt darstellt, hängt für die Silizium-Leerstelle das Ausheilverhalten vom Fermi-Niveau ab. In p-dotiertem SiC dominiert die Umwandlung in einen Leerstellen-Antisite-Komplex, in intrinsischem und $n$-dotiertem SiC ist die Rekombination der Leerstelle mit einem Zwischengitteratom der vorherrschende Prozess. Die Barriere für die Rekombination hängt dabei vom Abstand zwischen den Rekombinationspartnern ab. Sie ist klein für Paare mit geringem Abstand und steigt mit zunehmender Distanz auf den Wert der Migrationsbarriere. Der letzte Ausheilschritt ist grundsätzlich das Einsetzen der Defektmigration. Mit diesen Reaktionen ist es möglich, zum Beispiel das komplexe Ausheilverhalten des EPR-Zentrums T1 zu erklären. Die intrinsischen Zwischengitterdefekte spielen auch für die Dotieratomdiffusion eine wichtige Rolle. Bei der Bor-Diffusion finden wir beispielsweise, dass Bor über einen kick-out-Mechanismus diffundiert, bei dem sowohl Silizium- als auch Kohlenstoff-Zwischengitteratome die Diffusion initiieren können. Die Wirkung der Zwischengitteratome beschränkt sich dabei im Wesentlichen auf das eigene Untergitter. Wir finden, dass Bor in einem positiven Ladungszustand diffundiert, was sich mit experimentellen Daten deckt. Für die hexagonalen Polytypen sagen wir durch die Orientierungsabhängigkeit der Bildungsenergie der beteiligten Zwischengitterdefekte eine anisotrope Dotieratomdiffusion voraus. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist die Entdeckung, dass sich mobile Kohlenstoff-Zwischengitteratome ansammeln und stabile Cluster bilden können. Zwei verschiedene Clustertypen sind möglich. Der eine Typ sind Cluster von Kohlenstoff-Zwischengitteratomen, während der andere Typ Kohlenstoffansammlungen an Kohlenstoff-Antisites sind. Diese Cluster beeinflussen das Ausheilen der Implantationsschäden erheblich. Sie können mobile Kohlenstoffatome bei niedrigen Temperaturen einfangen und bei höheren Temperaturen wieder freigeben. Die Kohlenstoffcluster sind selbst stabile Defektzentren. Durch die leichten Kohlenstoffatome und die starken Bindungen erzeugen sie eindeutige Vibrationsmoden oberhalb des SiC Phononspektrums, die in Photolumineszenzexperimenten beobachtet werden können. Wir berechnen in dieser Arbeit die lokalisierten Defektschwingungen sowie die Isotopenaufspaltung, die durch die Anreicherung des Kristalls mit ^{13}C entsteht. Dabei finden wir, dass der Di-Kohlenstoff-Antisite-Komplex ein Schwingungsspektrum besitzt, dass mit den universellen Moden des D_{II}-Zentrums vergleichbar ist. Dieses Modell kann das vollständige D_{II}-Spektrum zwar nicht erklären, es reproduziert allerdings die Haupteigenschaften des D_{II}-Zentrums. Deshalb gehen wir davon aus, dass es sich bei dem D_{II}-Zentrum um eine größere Kohlenstoffansammlung handelt, in der der Di-Kohlenstoff-Antisite-Komplex ein Hauptbestandteil ist. Sowohl der Di-Kohlenstoff-Antisite-Komplex als auch der Kohlenstoff-Zwischengitterdefekt werden als Modell für die P-T-Zentren diskutiert. Beide Defekte besitzen Schwingungsmoden im richtigen Frequenzbereich. Unsere Rechnungen zeigen, dass die Isotopenaufspaltung des Di-Kohlenstoff-Antisite-Komplexes nicht mit der Aufspaltung kompatibel ist, die für die P-T-Zentren gefunden wird, während jene für den Kohlenstoff-Zwischengitterdefekt gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Unsere Ergebnisse für kleine Kohlenstoff-Cluster wie z.B. den Tri-Kohlenstoff-Antisite}-Komplex zeigen, dass lokalisierte Schwingungsmoden bis zu 250\,meV bei reinen Kohlenstoff-Defekten möglich sind. Die höchste Schwingungsmode dieses Defekts und die dreifache Isotopenaufspaltung stimmen exzellent mit der höchsten Mode des U-Zentrums überein. Allerdings konnten die weiteren Schwingungsmoden des Tri-Kohlenstoff-Antisite}-Komplexes im Experiment bisher nicht gefunden werden, sodass eine eindeutige Identifizierung noch aussteht.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander Mattausch
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-1789
Advisor:Oleg Pankratov
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2005/07/07
Release Date:2005/07/29
Tag:Defektidentifikation; extrinsische Defekte; intrinsische Defekte
defect identification; extrinsic defects; intrinsic defects
SWD-Keyword:Dichtefunktionalfor; Diffusion; Frenkel-Defekt; Halbleiter / Gitterbaufehler; Photolumineszenz; Siliciumcarbid; Störstelle; Wide-gap-Halbleiter
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
PACS-Classification:60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 61.00.00 Structure of solids and liquids; crystallography (for surface, interface, and thin film structure, see section 68) / 61.72.-y Defects and impurities in crystals; microstructure (for radiation induced defects, see 61.80.-x; for defects in surfaces, interfaces, and thin films, see 68.35.Dv and 68.55.Ln; see also 85.40.Ry Impurity doping, diffusion, and ion implantation technology)
60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 63.00.00 Lattice dynamics (see also 78.30.-j Infrared and Raman spectra; for surface and interface vibrations, see 68.35.Ja; for adsorbate vibrations, see 68.43.Pq; for lattice dynamics of quantum solids, see 67.80.de) / 63.20.-e Phonons in crystal lattices (for phonons in superconductors, see 74.25.Kc; see also 43.35.Gk Phonons in crystal lattice, quantum acoustics-in Acoustics Appendix) / 63.20.Pw Localized modes
60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 66.00.00 Nonelectronic transport properties of condensed matter / 66.30.-h Diffusion in solids (for surface and interface diffusion, see 68.35.Fx) / 66.30.Lw Diffusion of other defects
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 78.00.00 Optical properties, condensed-matter spectroscopy and other interactions of radiation and particles with condensed matter / 78.55.-m Photoluminescence, properties and materials
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $