[論文レビュー] 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)|Dec 1, 2016

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論（DFT）および分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、4H-SiC (0001)および(000$ύbarkline$)表面における初期酸化の原子的メカニズムを解明した。炭素の消失はC面では直接CO脱離を伴い、界面にY-lid型酸素とC不対結合が残るのに対し、Si面ではCO脱離に先立って炭素がナノクラスターを形成し、単結合および二重結合を形成することで不対結合を最小化する。その結果、界面欠陥構造が顕著に異なり、H2およびNO処理によるポリシング応答も異なることが明らかになった。

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.

研究の動機と目的

• 4H-SiC (0001)および(000$ύbarkline$)表面における初期酸化の原子的メカニズムを解明すること。
• Si面およびC面における酸化反応の経路、エネルギー障壁、および生成する界面欠际の特定。
• 酸化中に生成する欠际とH2およびNOの反応性を調査し、実験的ポリシング技術のメカニズムを説明することを目的とする。
• SiC熱酸化における炭素の消失の長年の謎を解明し、界面欠际形成への影響を明らかにすること。

提案手法

• 電子構造およびバンドギャップを計算するため、PBEおよびHSE06関数を用いた密度汎関数理論（DFT）。
• 静的全エネルギー計算および構造最適化にはVASPを用い、PAW擬ポテンシャルおよび400 eVの平面波カットオフを設定。
• 空間的DFT（RSDFT）を用いたCar-Parrinello分子動力学（CPMD）で、0.19 Åのグリッド間隔および840 eVの等価カットオフを採用。
• 表面をモデル化するため、6層スラブを用い、横方向に3×3の周期的境界条件と10 Åの真空層を設定。下部面にはH終末を施した。
• 反応経路、エネルギー障壁（C面では0.7 eV、Si面では2.8 eV）、欠际生成の体系的分析。
• H2およびNO暴露後の構造最適化およびバンド構造解析により、欠际のポリシング効率を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4H-SiCのC面（000$ύbarkline$）における初期酸化時、炭素の消失はどのように進行するか？
• RQ2 Si面（0001）におけるCO生成および脱離の主な反応経路とエネルギー障壁は何か？
• RQ3 なぜSi面およびC面は酸化速度および界面欠际密度に顕著な差を示すのか？
• RQ4 H2およびNO処理は、酸化中に生成する欠际の電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 炭素ナノクラスターは、Si面における不対結合密度の低減に果たす役割は何か？

主な発見

• C面では、炭素原子がCO分子として直接脱離し、0.7 eVの解離障壁を示す。その結果、界面に3価の酸素原子（Y-lid型）が残存する。
• 炭素の完全な除去が不完全であるため、C面界面にC不対結合の高密度が持続し、主な欠际源となる。
• Si面では、炭素原子が単結合および二重結合を含む小さなナノクラスターを形成することで不対結合を最小化し、これらのクラスターからのCO脱離には2.8 eVのエネルギー障壁が存在する。
• H2処理により、C面のC不対結合が終端され、末端の酸素原子まで修復され、バンド構造にギャップ状態が消失する。
• H2およびNO処理は、Si面の欠际（C2、C2&C3、炭素クラスター欠际など）に対して効果を示さないことが判明し、欠际化学の差が示唆された。
• C面のY-lid欠际構造は安定であり、CO脱離後も存続し、界面準位状態に寄与する。