Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de théories des phénomènes physiques ITP (Chaire de physique numérique de la matière condensée CPNMC)

Ab initio study of interface states at metal contacts to III-IV semiconductors

Maxisch, Thomas ; Baldereschi, Alfonso (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2890.

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    Summary
    We present a theoretical study of the physical characteristics of metal/semiconductor junctions. Using first principle pseudopotential calculations, we have investigated the nature of electronic states with energies within the semiconductor band gap of representative abrupt, defect-free, anion-terminated metal/III-V interfaces. Namely, we focused on Al contacts to GaAs(001), AlAs(001) and cubic GaN(001) as well as on Al, Au and Cu junctions to cubic GaN(001). Recent advances in Schottky barrier concepts emphasize the possible relationship between interface states and the formation of the Schottky barrier. We aim at understanding the atomic-scale mechanisms responsible for interface states as well as their role in the Schottky barrier formation process. At As-terminated Al/GaAs(001) and Al/AlAs(001) junctions, resonant and localized interface states occur at the J point of the interface 2D Brillouin zone near the Fermi energy in the semiconductor midgap region. They correspond to intermetallic bonds between the outermost cation atoms of the semiconductor and the interfacial Al atoms of the metal. These interface states derive from an interaction between localized states of the Al(001) surface and semiconductor conduction band states, mediated by localized states of the unreconstructed, As-terminated semiconductor (001) surface. Our results indicate that interface states of the intermetallic, bonding-like kind could play an important role in the transport properties of metal/AlxGa1-xAs junctions. We have also investigated the electronic structure of Al, Au and Cu junctions to cubic, N-terminated GaN(001). The localized interface state reported for As-terminated Al/GaAs(001) and Al/AlAs(001) junctions occurs also at metal/GaN interfaces under the condition that atoms on the outermost atomic plane of the metal are placed in front of the outermost semiconductor cation. This indicates that the formation mechanism of this state is a very general one. In contrast to Al/AlxGa1-xAs junctions, these states occur at energy much larger than EF for the contacts to GaN. Thus, they are not expected to contribute significantly to the electronic transport of the latter interfaces. However, a large number of interface states attributed to d-type orbitals occur over a wide energy range including EF at contacts of noble metals to GaN.
    Zusammenfassung
    Wir stellen hier eine theoretische Studie der physikalischen Eigenschaften von Metall-Halbleiter Kontakten vor. Unter dem Einsatz selbstkonsistenter ab initio Pseudopotentialrechnungen untersuchen wir die Struktur elektronischer Zustände mit einer Energie innerhalb der optischen Bandlücke von Halbleitern an einer repräsentativen Auswahl idealer, abrupter, defektfreier Grenzflächen zwischen Metallen und anionisch begrenzten Halbleitern. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere sowohl auf Al Kontakte zu GaAs(001), AlAs(001) und kubischem GaN(001) als auch auf übergänge zwischen Al, Au und Cu zu kubischem GaN(001). Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Schottky-Barrieren betonen den möglichen Zusammenhang zwischen Grenzflächenzuständen und der Entstehung der Schottky-Barriere. Unser Ziel ist es, die Mechanismen, welche für die Ausbildung von Grenzflächenzuständen verantwortlich sind, auf atomarer Ebene zu verstehen und deren Rolle beim Enstehungsprozess der Schottky-Barriere zu erörtern. Inmitten der Halbleiterbandlücke As-terminierter Al/GaAs- und Al/AlAs(001)-Übergänge treten am J-Punkt der zweidimensionalen Brillouin-Zone und nahe der Fermi-Energie sowohl resonante als auch lokalisierte Grenzflächenzustände auf. Sie entsprechen intermetallischen Bindungen zwischen dem äußersten Kation des Halbleiters und dem Grenzflächenatom des Metalls. Diese Zustände resultieren aus einer Wechselwirkung zwischen lokalisierten Zuständen der Al(001)-Oberfläche und Zuständen des Halbleiterleitungsbandes unter Einwirkung lokalisierter Zustände der nichtrekonstruierten, As-terminierten (001)-Halbleiteroberfläche. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Grenzflächenzustände vom Typ einer intermetallischen Bindung eine wichtige Rolle innerhalb der Transporteigenschaften vom Metall-AlxGa1-xAs-Übergängen einnehmen. Wir haben weiterhin die elektronischen Eigenschaften an Al-, Au- und Cu-Kontakten zu kubischem, N-terminiertem GaN(001) untersucht. Die bereits für As–terminierte Al/GaAs(001)- und Al/AlAs(001)-Übergänge dokumentierten lokalisierten Grenzflächenzustände treten unter der Bedingung, dass sich die Metallatome an der Grenzfläche gegenüber des äußersten Halbleiterkations befinden, ebenfalls an Metall-GaN(001)-Übergängen auf. Dies deutet darauf hin, dass der Entstehungsprozess dieses Zustandes von allgemeiner Natur ist. Solche Zustände treten an Kontakten zu GaN jedoch im Gegensatz zu den Al/AlxGa1-xAs-Übergängen nur bei Energien weit oberhalb des Fermi-Niveaus auf. Daher wird nicht erwartet dass diese Zustände wesentlich zu den Transporteigenschaften beitragen. An Kontakten zwischen Edelmetallen und GaN treten über einen großen Energiebereich, einschließlich EF, eine grosse Anzahl von Grenzflächenzuständen, welche atomaren d-Orbitalen zugeordnet sind, auf.
    Résumé
    Nous présentons une étude théorique des caractéristiques physiques des jonctions métal/semi-conducteur. En utilisant des méthodes de calcul ab initio basées sur les pseudo-potentiels atomiques, nous avons étudié la structure des états électroniques dont les énergies se situent dans la bande interdite pour un choix représentatif de semi-conducteurs III-V présentant des interfaces abruptes et sans défauts, ainsi qu'une couche terminale formée d'anions. Nous nous sommes notamment concentrés sur les interfaces de l'Al avec GaAs(001), AlAs(001) et GaN(001) dans sa phase cubique, de même que sur les interfaces de Al, Au et Cu avec GaN(001). Des progrès récents, concernant les barrières de Schottky, mettent l'accent sur des relations possibles entre les états d'interface et la formation de ces barrières. Notre objectif est de cerner les mécanismes responsables, à l'échelle atomique, de la nature des états d'interface aussi bien que du rôle qu'ils jouent dans les processus de formation des barrières de Schottky. Pour les jonctions Al/GaAs(001) et Al/AlAs(001) avec des couches terminales de As, des états d'interface résonnants et localisés apparaissent au point J de la zone de Brillouin bidimensionnelle de l'interface. Ces états possèdent des énergies voisines du niveau de Fermi, dans la bande interdite du semi-conducteur. Ils correspondent à des liaisons intermétalliques entre les cations les plus extérieurs du semi-conducteur et les atomes du métal proche de l'interface. Ces états proviennent d'une interaction entre des états de surface d'Al(001) et les états de conduction du semi-conducteur par l'intermédiaire d'états localisés à la surface (001) non reconstruite du semiconducteur. Nos résultats indiquent que ces états d'interface peuvent jouer un rôle important dans les propriétés de transport des jonctions métal/AlxGa1-xAs. Nous avons aussi examiné la structure électronique des jonctions entre Al, Au et Cu et GaN(001) cubique de couche terminale N. L'état localisé d'interface dans le cas des jonctions Al/AlxGa1-xAs apparaît également pour les interfaces métal/GaN à condition que les atomes du métal qui sont près de l'interface soient situés en face des cations les plus extérieurs du semi-conducteur. Cela indique que le mécanisme de formation de ces états est très général. Contrairement aux jonctions Al/AlxGa1-xAs, ces états apparaissent à des énergies bien supérieures à EF pour les contacts métal/GaN. Ainsi, on ne s'attend pas à ce qu'ils contribuent de manière significative au transport électronique au travers de l'interface. Néanmoins, plusieurs états d'interface associés aux orbitales d apparaissent dans un vaste domaine d'énergie, incluant EF, aux jonctions entre des métaux nobles et GaN.