[논문 리뷰] Mechanisms of initial oxidation of 4H-SiC (0001) and (000$\bar{1}$) surfaces unraveled by first-principles calculations

Yu‐ichiro Matsushita, Atsushi Oshiyama|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 01.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 4H-SiC (0001) 및 (000$ύbarkline$) 표면에서 초기 산화의 원자적 메커니즘을 규명하기 위해 처음부터 계산된 밀도함수이론(DFT)과 분자역학(MD) 시뮬레이션을 사용한다. 탄소의 소멸은 C면에서 직접 CO 탈착을 통해 일어나며, 이 과정에서 Y-리드 산소와 C-단단한 결합이 남는다. 반면 Si면에서는 CO 탈착 이전에 탄소가 단일 및 이중 결합을 가진 나노클러스터를 형성하며, 이로 인해 상이한 인터페이스 결함 구조와 H2 및 NO 처리에 대한 다른 피-assay 반응이 발생한다.

ABSTRACT

We have performed electronic state calculations to clarify the initial stage of the oxidation of the Si- and C-faces in 4H-SiC based on the density-functional theory. We investigate how each Si and C atomic site is oxidized on C- and Si-face, and explore most probable reaction pathways, corresponding energy barriers, and possible defects generated during the oxidation. We have found that carbon annihilation process is different between on Si- and on C-face, and this difference causes different defects in interface; In C-face case, (1), carbon atoms are dissociated directly from the substrate as CO molecules. (2), after CO dissociation, 3-fold coordinated oxygen atoms (called Y-lid) are observed at the interface. (3), high density of C-dangling bonds can remain at the interface. In Si-face case, (1), C atoms inevitably form carbon nano clusters (composed of a few atoms) in interface to reduce the number of dangling bonds there. Moreover, we have found that the carbon nano clusters are composed of not only single but also double chemical bonds. (2), We have observed that CO molecules are dissociated from the carbon nano clusters in MD simulations. Furthermore, we have investigated whether H$_2$ and NO molecules react with the defects found in this study.

연구 동기 및 목표

• 4H-SiC (0001) 및 (000$ύbarkline$) 표면에서의 초기 산화 원자적 메커니즘을 명확히 하기.
• Si-면 및 C-면에서 산화 과정 중에 형성되는 반응 경로, 에너지 장벽 및 인터페이스 결함를 규명하기.
• 산화 과정에서 생성된 결함에 대한 H2 및 NO의 반응성 조사하여 실험적 피-assay 기법을 설명하기.
• SiC 열산화 과정에서 탄소 소멸의 오랜 미스터리와 이로 인한 인터페이스 결함 형성 영향을 해결하기.

제안 방법

• 전자 구조 및 밴드 갭을 계산하기 위해 PBE 및 HSE06 함수를 사용한 밀도함수이론(DFT).
• 정적 총에너지 계산 및 구조 최적화를 위해 VASP를 사용하며, PAW 허위파면 및 400 eV 평면파 커팅을 적용.
• 실공간 DFT(RSDFT) 기반의 Car-Parrinello 분자역학(CPMD)을 사용하며, 0.19 Å 격자 간격과 840 eV에 해당하는 등가 커팅을 적용.
• 표면 모델링을 위해 6층 슬립과 3×3 수평 주기성, 10 Å의 진공 층을 사용하며, 하부 표면은 H-종결 상태로 처리.
• 반응 경로, 에너지 장벽(0.7 eV for CO on C-face, 2.8 eV on Si-face), 및 결함 형성에 대한 체계적 분석.
• H2 및 NO 노출 후 구조 최적화 및 밴드 구조 분석을 통해 결함 피-assay 효율 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4H-SiC의 C면 (000$ύbarkline$)에서의 초기 산화 과정에서 탄소 소멸은 어떻게 진행되는가?
• RQ2 Si면 (0001)에서 CO 형성 및 탈착의 핵심 반응 경로와 에너지 장벽은 무엇인가?
• RQ3 왜 Si-면과 C-면은 산화 속도와 인터페이스 결함 농도에서 다름을 보이는가?
• RQ4 H2 및 NO 처리가 산화 과정에서 생성된 결함의 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 탄소 나노클러스터는 Si면에서 단단한 결합 밀도를 어떻게 감소시키는가?

주요 결과

• C면에서는 탄소 원자가 0.7 eV의 해리 장벽을 가지며 직접 CO 분자로 탈착되며, 이로 인해 인터페이스에 3배 협착된 산소 원자(Y-리드)가 남는다.
• 탄소 제거가 불완전하여 C면 인터페이스에 높은 농도의 C-단단한 결합이 유지되며, 이는 핵심 결함 기원이 된다.
• Si면에서는 탄소 원자가 단일 및 이중 결합을 포함한 작은 나노클러스터를 형성하여 단단한 결합 수를 최소화하며, 이러한 클러스터에서 CO 탈착의 에너지 장벽은 2.8 eV이다.
• H2 처리는 C면의 C-단단한 결합을 종결시키고 종단 산소까지도 종결시켜 밴드 갭 상태를 제거함으로써 효과적으로 피-assay 한다.
• H2 및 NO 처리는 Si면의 결함, 즉 C2, C2&C3 및 탄소 클러스터 결함에 대해 효과적이지 않으며, 이는 다른 결함 화학을 시사한다.
• C면의 Y-리드 결함 구조는 CO 탈착 후에도 안정적으로 유지되며, 이는 인터페이스 트랩 상태를 기여한다.