[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟，揭示了4H-SiC (0001) 和 (000$ύbarkline$) 表面初始氧化的原子机制。研究发现，在C面，碳通过直接CO脱附被消除，留下Y型盖氧和C悬挂键；而在Si面，碳在CO脱附前先形成含单键和双键的纳米团簇，导致不同的界面缺陷结构，并表现出对H2和NO处理不同的钝化响应。

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.

研究动机与目标

• 阐明4H-SiC (0001) 和 (000$ύbarkline$) 表面初始氧化的原子机制。
• 识别在Si面和C面氧化过程中形成的反应路径、能垒及界面缺陷。
• 研究H2和NO与氧化过程中生成缺陷的反应性，以解释实验中的钝化技术。
• 解决SiC热氧化过程中碳消除的长期谜题及其对界面缺陷形成的影响。

提出的方法

• 使用PBE和HSE06泛函的密度泛函理论（DFT）计算电子结构和带隙。
• 采用VASP进行静态总能计算和结构优化，使用PAW赝势和400 eV平面波截断能。
• 在实空间DFT（RSDFT）中采用Car-Parrinello分子动力学，网格间距为0.19 Å，等效截断能为840 eV。
• 使用6层原子层的超胞，横向周期性为3×3，真空层厚度为10 Å，底部层为H终止，以模拟表面。
• 系统分析反应路径、能垒（C面CO为0.7 eV，Si面为2.8 eV）及缺陷形成。
• 在H2和NO暴露后进行结构优化和能带结构分析，以评估缺陷钝化的效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在4H-SiC的C面(000$ύbarkline$)初始氧化过程中，碳消除是如何进行的？
• RQ2 在Si面(0001)上，CO生成与脱附的关键反应路径及能垒是什么？
• RQ3 为何Si面和C面表现出不同的氧化速率和界面缺陷密度？
• RQ4 H2和NO处理如何影响氧化过程中形成的缺陷的电子结构？
• RQ5 碳纳米团簇在降低Si面悬挂键密度方面起什么作用？

主要发现

• 在C面，碳原子以CO分子形式直接脱附，解离能垒为0.7 eV，界面留下三配位的氧原子（Y型盖）。
• 由于碳去除不完全，C面界面持续存在高密度的C悬挂键，构成主要缺陷来源。
• 在Si面，碳原子形成由单键和双键组成的微小纳米团簇，以最小化悬挂键，其CO脱附的能垒为2.8 eV。
• H2处理能有效钝化C面的C悬挂键，通过终止悬挂键和末端氧原子，消除能带结构中的带隙态。
• H2和NO处理对Si面的缺陷（包括C2、C2&C3及碳团簇缺陷）均无效，表明缺陷化学行为不同。
• C面的Y型盖缺陷结构在CO脱附后保持稳定，是界面陷阱态的来源。