Quantum mechanical theory of epitaxial transformation of silicon to silicon carbide

Abstract

The paper focuses on the study of transformation of silicon crystal into silicon carbide crystal via substitution reaction with carbon monoxide gas. As an example, the Si(1 0 0) surface is considered. The cross section of the potential energy surface of the first stage of transformation along the reaction pathway is calculated by the method of nudged elastic bands. It is found that in addition to intermediate states associated with adsorption of CO and SiO molecules on the surface, there is also an intermediate state in which all the atoms are strongly bonded to each other. This intermediate state significantly reduces the activation barrier of transformation down to 2.6 eV. The single imaginary frequencies corresponding to the two transition states of this transformation are calculated, one of which is reactant-like, whereas the other is product-like. By methods of quantum chemistry of solids, the second stage of this transformation is described, namely, the transformation of precarbide silicon into silicon carbide. Energy reduction per one cell is calculated for this ‘collapse’ process, and bond breaking energy is also found. Hence, it is concluded that the smallest size of the collapsing islet is 30 nm. It is shown that the chemical bonds of the initial silicon crystal are coordinately replaced by the bonds between Si and C in silicon carbide, which leads to a high quality of epitaxy and a low concentration of misfit dislocations.

Эпитаксиальный Рост Пленок Теллурида Кадмия На Кремнии С Буферным Слоем Карбида Кремния

“…Эпитаксиальный слой 6H-SiC выращивался на Si(111) марки КДБ-10 методом топохимического замещения атомов [8][9][10]. Для этого использовалась химическая реакция между монокристаллической подложкой Si и газообразным монооксидом углерода CO 2Si(sol) + CO(gas) = SiC(sol) + SiO(gas) ↑ +V Si .…”

“…Кроме того, пустоты в подложке под слоем SiC де-лают подложку эластичной, позволяя ей подстраиваться под растущую пленку и уменьшая упругие напряжения. Буферный слой SiC на Si толщиной порядка 100−200 nm предлагается получать методом топохимического заме-щения атомов [8][9][10], что обеспечивает совершенную структуру SiC. В данной работе таким методом был получен эпитаксиальный CdTe на Si, что имеет большое значение для создания солнечных элементов на основе монокристаллического CdTe.…”

“…Карбид кремния (SiC) является гораздо более химически стойким, чем Si, и практически не вступает в реакцию с элемента-ми шестой группы. Кроме того, нанослой SiC на Si, полученный топохимическим замещением атомов Si на атомы C, обладает рядом уникальных свойств [8][9][10]. В частности, он ведет себя как резиновая кристалли-ческая подложка, с одной стороны, упорядочивая слои, растущие на нем, с другой -благодаря пустотам под ним растягивается или сжимается, подстраиваясь под структуру пленки [8][9][10].…”

“…Кроме того, нанослой SiC на Si, полученный топохимическим замещением атомов Si на атомы C, обладает рядом уникальных свойств [8][9][10]. В частности, он ведет себя как резиновая кристалли-ческая подложка, с одной стороны, упорядочивая слои, растущие на нем, с другой -благодаря пустотам под ним растягивается или сжимается, подстраиваясь под структуру пленки [8][9][10]. В результате большая часть упругих напряжений, вызванная несоответствием решеток, упруго релаксирует [8][9][10].…”

“…В частности, он ведет себя как резиновая кристалли-ческая подложка, с одной стороны, упорядочивая слои, растущие на нем, с другой -благодаря пустотам под ним растягивается или сжимается, подстраиваясь под структуру пленки [8][9][10]. В результате большая часть упругих напряжений, вызванная несоответствием решеток, упруго релаксирует [8][9][10]. Поэтому в насто-ящей работе предлагается выращивать эпитаксиальные пленки CdTe на темплейтах SiC/Si, полученных методом топохимического замещения атомов [11,12].…”