Electronic properties of isovalent and heterovalent semiconductor interfaces

¹ Institut Romand de Recherche Numérique en Physique des Matériaux (IRRMA), Ecole Polytechnique Fédérale, CH-1015 Lausanne, Switzerland
² Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SiSSA), Strada Costiera 11, 1-34014 Trieste, Italy

Abstract

The problem of whether band offsets at semiconductor interfaces are determined by bulk properties of the constituents or substantially affected by interface phenomena is critically readdressed. In particular, the conditions under which band offsets depend or not on the interface orientation are examined. State-of-the-art pseudopotential calculations are performed in a supercell geometry for GaAs/AlAs and GaAs/Ge grown in different directions. A new approach to the calculation of band offsets at semiconductor heterojunctions is proposed, based on ab-initio linear-response theory. The offset is shown to be the sum of two terms, the first of which depends only on bulk properties and is therefore independent on interface orientation and abruptness. The second, which vanishes for isovalent and non polar heterojunctions, does depend on the details of the interface geometry, but can be calculated -once the geometry is known- from such simple quantities as the lattice parameters and dielectric constants of the two constituents. The linear-response results are compared to the supercell ones and to the experimental data.

Résumé

Le problème de savoir si l’alignement des structures de bandes à l’interface de semiconducteurs est déterminé uniquement par des propriétés du bulk ou s’il dépend aussi de phénomènes interfaciaux est réexaminé. En particulier, on discute les conditions sous lesquelles les alignements des structures de bandes dépendent ou non de l’orientation de l’interface. Des calculs sont effectués pour GaAs/AlAs et Ge/GaAs, orientés selon differentes directions, et ceci, avec l’emploi de supercellules et des méthodes de pseudopotentiels modernes. Une nouvelle approche pour calculer l’alignement des structures de bandes est proposée, basée sur une théorie ab-initio de réponse linéaire. L’alignément se révélé être la somme de deux termes dont le premier dépend seulement des propriétés du bulk et est, par consequent, indépendant soit de l’orientation de l’interface soit du fait qu’elle soit abrupte ou non. Le deuxième terme, qui est nul pour des hétéro jonctions isovalentes ou non polaires, dépend des détails de la géométrie de l’interface, mais peut être calculé à partir de quantités aussi simples que les paramètres de réseau et les constantes diélectriques des deux constituants. Les résultats obtenus par la réponse linéaire sont comparés à ceux des calculs de supercellules et aux données experimentales.