La face cachée de la galette de SiC

Ce travail, publié dans Appl. Phys. Lett. 116, 141605 (2020), présente l’exploration de la surface d’énergie potentielle de la face carbone du SiC. Depuis la première observation expérimentale en 1997 d’une reconstruction 3 × 3 sur cette surface, le modèle atomique sous-jacent reste l’objet de débat. Grâce à une exploration intensive basée sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), il est montré que cette reconstruction est issue d’une sur-couche ordonnée d’atomes de silicium, formant un réseau honeycomb-kagomé (voir figure ci-dessous).

Figure 1: Reconstruction de la face C du SiC par arrangement atomique

La DFT est une méthode de calcul numérique de structure électronique et atomique qui permet de déterminer l’état fondamental d’un système à partir de la résolution d’équations auto-cohérentes. Elle permet également de calculer les forces interatomiques afin d’optimiser les positions des atomes. En outre, nous avons caractérisé ce modèle atomique au moyen de simulations des topographies STM incluant une pointe explicite. Ceci nous a permis d’améliorer le modèle et de démontrer qu’un désordre de substitution était à l’œuvre sous la sur-couche ordonnée. La combinaison de ces deux niveaux de reconstruction est unique au sein des surfaces de semi-conducteurs expliquant pourquoi il aura fallu plus de vingt années pour la déchiffrer. Au-delà de l’importance du SiC pour la croissance du graphène ou l’électronique de puissance, nous pensons que ce nouveau type de reconstruction est important pour la communauté de physique appliquée. En effet, comprendre la physique des reconstructions de surface est devenu aujourd’hui incontournable dans plusieurs disciplines de la physique allant de la croissance des matériaux jusqu’au développement de nouveaux dispositifs utilisant la physique d’interface comme les gaz d’électrons 2D ou la supraconductivité de surface.

« Order and disorder at the C-face of SiC: A hybrid surface reconstruction »
Eduardo Machado-Charry, César González, Yannick J. Dappe, Laurence Magaud, Normand Mousseau and Pascal Pochet, Appl. Phys. Lett. 116 (2020) 141605.

Cette publication a fait l’objet d’une couverture médiatique dans Materials Today : « Improving wafers as a semiconductor material », par Laurie Donaldson.

Fare side of SiC wafers

In this work published in Appl. Phys. Lett. 116 (2020)141605 , an exploration of the C-face surface of SiC is presented. The underlying model of the 3×3 reconstruction occurring at its surface remained unknown since its report in 1997. Based on an intensive Density Functional Theory (DFT)-based exploration, we find that this reconstruction comes from an ordered all-silicon over-layer adopting a honeycomb-kagome lattice, as shown in Figure 1. DFT is a numerical calculation method of electronic and atomic structure, which allows determining the ground state of a system from the resolution of self-consistent equations. Moreover, it allows to calculate the interatomic forces in order to optimize the atomic positions. We, further characterize this model by means of STM simulation including an explicit tip. This allow us to refine the model, showing that a disorder substitution is at play below the over-layer. The combination of the two reconstruction levels makes this surface reconstruction unique among other semiconductors, explaining why it took decades to decipher its atomic structure. Thus, besides the importance of SiC for graphene growth or for high power electronics, we think that this particular reconstruction is of great interest for the applied physics community. Indeed, understanding the physics of surface reconstruction is central for many field starting from growth science but also for tuning new devices targeting to use of interfacial physics like 2D electron gas or surface superconductivity.

This work was further highlighted in Materials Today: « Improving wafers as a semiconductor material », by Laurie Donaldson.

Contact SPEC : Yannick Dappe (SPEC/GMT)

Collaboration :

Institute of Solid State Physics and NAWI Graz, Graz University of Technology, Petersgasse 16, 8010 Graz, Austria
Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada and Condensed Matter Physics Center, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid, E-28049 Madrid, Spain
UMR SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Institut Neel, F-38042 Grenoble, France
Département de physique and RQMP, Université de Montréal, Case Postale 6128, Succursale Centre-ville, Montréal, Québec H3C 3J7, Canada
Department of Physics, IriG, Univ. Grenoble Alpes and CEA, F-38000 Grenoble, France