Ab initio -based approach for the oxidation mechanisms at SiO2 /4H-SiC interface: Interplay of dry and wet oxidants during interfacial reaction

材料科学 从头算 反应速率常数 限制 方向(向量空间) Atom(片上系统) 分子 结晶学 物理化学 物理 动力学 几何学 化学 数学 量子力学 计算机科学 机械工程 工程类 嵌入式系统
作者
Tsunashi Shimizu,Toru Akiyama,Tomonori Ito,Hiroyuki Kageshima,Masashi Uematsu,Kenji Shiraishi
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (11) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.114601
摘要

Effects of the coexistence of dry and wet oxidants on the reaction process at ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC(0001) and ($000\overline{1}$) interfaces during SiC oxidation are systematically investigated by performing ab initio calculations. We find characteristic features of the interfacial reaction mechanisms, which are dependent on the plane orientation and wet oxidation condition. The incorporation of wet oxidants leads to lower barrier heights for the reaction of ${\mathrm{O}}_{2}$ molecules, resulting in the promotion of interfacial reaction at the ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC(0001) interface. In contrast, the coexisting ${\mathrm{O}}_{2}$ molecule assists the reactions by ${\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}$ molecule and OH groups at the ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC($000\overline{1}$) interface. Furthermore, we estimate the linear rate constants in the Deal-Grove model using the calculated barrier heights and reveal that the preferable wet ambient condition at the ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC(0001) interface is different from that at the ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC($000\overline{1}$) interface. The difference in the rate constants is caused by the difference in the rate-limiting reaction pathway between ${\mathrm{SiO}}_{2}$/4H-SiC(0001) and ($000\overline{1}$) interfaces. These calculated results offer better understanding of the atom-scale mechanisms for the significant enhancement of SiC oxidation by the interplay of dry and wet oxidants.

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