METAL-SEMICONDUCTOR JUNCTIONS

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Submitted on 1 Jan 1984

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METAL-SEMICONDUCTOR JUNCTIONS

F. Flores, J. Sánchez-Dehesa, F. Guinea

To cite this version:

F. Flores, J. Sánchez-Dehesa, F. Guinea. METAL-SEMICONDUCTOR JUNCTIONS. Journal de

Physique Colloques, 1984, 45 (C5), pp.C5-401-C5-407. �10.1051/jphyscol:1984561�. �jpa-00224180�

Colloque C5, suppl6ment au n04, Tome 45, avril 1984 page C5-401

METAL-SEMICONDUCTOR J U N C T I O N S

F. Flores, 3. Ssnchez-Dehesa and F . Guinea

Departamento de ~ i s i c a deZ Estado So'lido, FacuZtad de Ciencias, Uiiversidad Auto'noma, CantobZaneo, Madrid 3 4 , Spain

Rdsum6

-

En d6pit de moddles a u s s i nombreux que variks, l e mkcanisme de f o r - mation des b a r r i s r e s Schottky semble mal compris

.

Pour klucider ce probldme dans l e cas de semiconducteurs covalents, nous prksentons des calculs th6o- riques s e l f consistents pour des jonctions abruptes Si-Ag, C-Ag e t Si-H-Ag.

Nos r 6 s u l t a t s sont en bon accord avec l e s donnges experimentales disponibles e t montrent que l e niveau de Fermi 3 l ' i n t e r f a c e e s t f i x 6 par l a densitk d 1 6 t a t s qui apparait dans l a bande i n t e r d i t e du semiconducteur par s u i t e de l ' i n t e r a c t i o n e n t r e l e s & t a t s de surface 2 l a surface l i b r e du semiconducteur e t du m6tal. Ce processus explique, pourquoi, dans l e s semiconducteurs co- v a l e n t ~ , l e niveau de Fermi 5 l a jonction c o k c i d e presque avec c e l u i de l a surface l i b r e .

A b s t r a c t I n s p i t e o f many d i f f e r e n t models t h e r e seems t o b e a g e n e r a l l a c k o f u n d e r s t a n d i n g a b o u t t h e mechanism o f S c h o t t k y b a r r i e r f o r m a t i o n . I n o r d e r t o e l u c i d a t e t h i s mechanism f o r c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r s , we p r e s e n t t h e o r e t i c a l s e l f c o n s i s t e n t c a l c u l a t i o n s f o r a b r u p t Si-Ag, C-Ag a n d Si-H-Ag j u n c t i o n s . Our r e s u l t s a r e i n good a g r e e m e n t w i t h t h e a v a i l a b l e e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e , a n d show t h a t t h e i n t e r f a c e Fermi l e v e l i s c o n t r o l l e d by a d e n s i t y o f s t a t e s t h a t a p p e a r s i n t h e s e m i c o n d u c t o r g a p a s a r e s u l t of t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s u r f a c e s t a t e s a t t h e f r e e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e a n d t h e m e t a l . T h i s p r o c e s s e x p l a i n s why i n c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r s t h e Fermi l e v e l f o r t h e j u n c t i o n

a l m o s t c o i n c i d e s w i t h t h e Fermi l e v e l a t t h e f r e e s u r f a c e .

1. INTRODUCTION

I n s p i t e o f many e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d i e s

[ I ] ,

^{t h e}

mechanism o f t h e S c h o t t k y b a r r i e r f o r m a t i o n r e m a i n s a m a t t e r o f c o n t r o v e r s y . T h i s i s p a r t i a l l y d u e t o t h e v e r y r i c h e x p e r i m e n t a l i n f o r m a t i o n r e c e n t l y o b t a i n e d , s h o w i n g a l o t o f d i f f e r e n t p r o p e r t i e s c o n n e c t e d w i t h c h e m i c a l r e a c t i v i t y , i n t e r d i f f u s i o n , i n t e r l a y e r s , e t c .

P e r h a p s , t h e most s t r i k i n g f e a t u r e o b t a i n e d i n t h e l a s t few y e a r s r e f e r s t o t h e d e p e n d e n c e o f t h e b a r r i e r h e i g h t s f o r i o n i c s e m i - c o n d u c t o r s (111-V a n d 1 1 - V I compounds) o n t h e r e a c t i v i t y b e t w e e n t h e s e m i c o n d u c t o r a n d t h e m e t a l f o r m i n g t h e b a r r i e r [2-6

.

M o r e o v e r , t h o s e s e m i c o n d u c t o r s show i n t e r d i f f u s i o n w i t h t h e m e t a l [6

1 ^,

i n s u c h a way t h a t t h e a b r u p t n e s s o f t h e j u n c t i o n seems t o b e a f u n c t i o n o f t h e m e t a l - s e m i c o n d u c t o r b o n d i n g , w i t h t h e c o n s e q u e n t e f f e c t o n t h e b a r r i e r h e i g h t . T h i s i n t e r d i f f u s i o n , h o w e v e r , i s by no means a r u l e : i t seems t o d e p e n d o n t h e h e a t o f r e a c t i o n o f t h e m e t a l - s e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n [ 7 J , a n d o n some s t r u c t u r a l e f f e c t s n o t w e l l u n d e r s t o o d . S i l v e r o n S i , I n P a n d GaAs [8-101, a s w e l l a s some s i l i c i d e s on S i [ll]

,

a r e w e l l - known c a s e s o f a b r u p t j u n c t i o n s .

O t h e r e x p e r i m e n t s w i t h e t c h e d j u n c t i o n s [ l l - 1 5 1 show a

d e p e n d e n c e o f t h e h e i g h t b a r r i e r o n t h e k i n d o f c h e m i c a l compound a n d i n t e r l a y e r formed a t t h e i n t e r f a c e . T h e s e a n d p r e v i o u s e x p e r i m e n t s p o i n t t o t h e i m p o r t a n c e o f a few l a y e r s o f t h e i n t e r f a c e on t h e Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1984561

C5-402 JOURNAL DE PHYSIQUE

b a r r i e r f o r m a t i o n .

T h i s e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e s u g g e s t s t h a t m e t a l - s e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n s c a n b e c l a s s i f i e d i n t o t h r e e main g r o u p s : (i) Abrupt i n t e r - f a c e s , f o r which a r a t h e r i d e a l j u n c t i o n i s f o r m e d , w i t h a w e l l d e f i n e d s e p a r a t i o n between t h e c r y s t a l s t r u c t u r e s o f t h e m e t a l and t h e s e m i c o n d u c t o r ; ( i i ) e t c h e d i n t e r f a c e s , f o r which a r e a c t a n t , s a y H , 0 , C 1 , e t c .

,

^{i s} l e f t between t h e m e t a l and t h e s e m i c o n d u c t o r ; and ( i i i ) r e a c t i v e i n t e r f a c e s , f o r which t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r i n t e r d i f f u s e a n d / o r form a new c h e m i c a l compound a t t h e i n t e r f a c e . Most r e a c t i v e i n t e r f a c e s a r e formed w i t h i o n i c s e m i c o n d u c t o r s , w h i l e t h e j u n c t i o n s b u i l t up w i t h c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r s t e n d t o form i d e a l j u n c t i o n s , e i t h e r a b r u p t o r e t c h e d .

A l l t h i s r i c h e x p e r i m e n t a l i n f o r m a t i o n h a s p r o v e d a f o r m i d a b l e c h a l l e n g e t o t h e o r e t i c i a n s . Even a b r u p t i n t e r f a c e s a r e f a r from a r e a s o n a b l e u n d e r s t a n d i n g , a l t h o u g h t h e y h a v e r e c e i v e d , due t o o b v i o u s r e a s o n s o f s i m p l i c i t y , a g r e a t e r a t t e n t i o n .

P r i m i t i v e t h e o r i e s h a v e a n a l y s e d t h e S c h o t t k y b a r r i e r

f o r m a t i o n by means o f a thermodynamic argument [16] and h a v e assumed t h e e x i s t e n c e o f a n a p p r o p r i a t e d e n s i t y o f s t a t e s a t t h e i n t e r f a c e

[17]. More r e c e n t l y , we f i n d many-body a p p r o a c h e s [ 1 8 , 1 9 ] , and

t h e o r i e s b a s e d on d a n g l i n g - b o n d d e r i v e d r e s o n a n c e s [20,211. A t a more s o p h i s t i c a t e d l e v e l , we h a v e t h e work o f Cohen and coworkers [ 2 2 ] , where a v e r y e l a b o r a t e s e l f c o n s i s t e n t c a l c u l a t i o n o f a n a b r u p t A1-Si

j u n c t i o n h a s b e e n g i v e n , w i t h i n a p s e u d o p o t e n t i a l t h e o r y . U n l u c k i l y , t h i s l i n e h a s n o t b e e n p u r s u e d f u r t h e r and no s y s t e m a t i c a n a l y s i s o f t h e h e i g h t b a r r i e r h a s b e e n g i v e n w i t h i n t h i s framework a s a f u n c t i o n o f d i f f e r e n t m e t a l s a n d / o r i n t e r l a y e r s .

I n t h e l a s t two o r t h r e e y e a r s , two more models h a v e been advanced t o e x p l a i n t h e S c h o t t k b a r r i e r f o r m a t i o n [13-231. The d e f e c t model h a s b e e n p r o p o s e d f l 3 , 1 4 ] t o a c c o u n t f o r t h e p r o p e r t i e s o f t h e 1 1 1 - V s e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n s : i n t h i s model, s u r f a c e d e f e c t s l e v e l s a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e b a r r i e r f o r m a t i o n . On t h e o t h e r h a n d , F r o e o u f f and Woodall [23] h a v e s u g g e s t e d t h a t a c o m b i n a t i o n o f a S c h o t t k y model and t h e f o r m a t i o n o f f r e e a n i o n s c l u s t e r s a t t h e i n t e r f a c e may e x p l a i n e x p e r i m e n t a l h e i g h t b a r r i e r s .

However, i n a r e c e n t p a p e r Ludeke e t a 1 . [lo] h a v e p r e s e n t e d e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e o n t h e b a r r i e r f o r m a t i o n o f Ag on GaAs f o r s m a l l Ag-coverages and h a v e a r g u e d t h a t t h e i r d a t a a r e i n c o n s i s t e n t w i t h t h e l a s t two m o d e l s , and w i t h o t h e r d a n g l i n g - b o n d d e r i v e d i n t e r f a c e s t a t e s t h e o r i e s ( s e e a b o v e ) .

Summarising t h i s d i s c u s s i o n , we c a n s a y t h a t t h e p r e s e n t s t a t e o f t h e t h e o r y i s t h e most u n s a t i s f a c t o r y a n d t h a t t h e r e i s a g e n e r a l l a c k o f u n d e r s t a n d i n g o f t h e S c h o t t k y b a r r i e r f o r m a t i o n .

W i t h i n t h i s p e r s p e c t i v e , we h a v e t r i e d t o a n a l y s e

s y s t e m a t i c a l l y from a t h e o r e t i c a l p o i n t o f view t h e most s i m p l e j u n c t i o n s ; t h o s e b u i l t up w i t h c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r s and h a v i n g a w e l l - d e f i n e d a b r u p t i n t e r f a c e . Our aim i s t o f i n d some c a s e s , a t

l e a s t , f o r which t o h a v e a r e a s o n a b l e a g r e e m e n t between

t h e o r y a n d e x p e r i m e n t and where t o e l u c i d a t e t h e mechanism o f t h e S c h o t t k y b a r r i e r f o r m a t i o n . A t t h e same t i m e , t h i s c o u l d a l l o w us g e t t i n g a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e s p e c i f i c e f f e c t s a s s o c i a t e d t o i n t e r d i f f u s i o n and r e a c t i v i t y .

I n o u r a p p r o a c h we h a v e c a l c u l a t e d c l e a n and e t c h e d a b r u p t j u n c t i o n s f o r c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r s by means o f a s e l f c o n s i s t e n t a p p r o a c h b a s e d on a t i g h t - b i n d i n g model f o r t h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e s . T i g h t - b i n d i n g methods h a v e b e e n e x t e n s i v e l y a p p l i e d t o s e m i c o n d u c t o r s

[24,25]

,

and t h e y t u r n o u t t o b e v e r y a p p r o p r i a t e f o r a n a l y s i n g g e n e r a l p r o p e r t i e s a s s o c i a t e d t o i n t e r f a c e s .

I n 5 2 we p r e s e n t o u r model, w h i l e i n 53 we g i v e o u r r e s u l t s and t h e i r d i s c u s s i o n .

I n t h i s communication we p r e s e n t r e a l i s t i c s e l f c o n s i s t e n t c a l c u l a t i o n s f o r t h e Si-Ag a n d C-Ag c l e a n j u n c t i o n s a n d t h e Si-H-Ag e t c h e d j u n c t i o n . More g e n e r a l j u n c t i o n s a r e a n a l y s e d by c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r s d e f i n i n g t h e i n t e r f a c e .

F o r t h e c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r , S i o r C , we u s e s p 3 - h y b r i d s i n e a c h a t o m , and i n c l u d e i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s e x t e n d i n g , f o r S i (C), up .to s e c o n d ( f i r s t ) n e i g h b o u r s . T h i s i s a s t a n d a r d p r o c e d u r e [24,25]

.

As r e g a r d s t h e m e t a l , we u s e two o r b i t a l s i n e a c h a t o m t r y i n g t o s i m u l a t e a b r o a d a n d a n a r r o w b a n d a s s o c i a t e d w i t h a s- a n d a d - b a n d , r e s p e c t i v e l y [26]. T h i s i s o n l y a r o u g h a p p r o x i m a t i o n t o t h e m e t a l s t r u c t u r e , b u t t h e b a r r i e r f o r m a t i o n i s v e r y l i t t l e d e p e n d e n t on most o f t h e d e t a i l s o f t h e m e t a l d e n s i t y o f s t a t e s .

The c r y s t a l l q g r a p h i c s t r u c t u r e o f t h e Si-Ag j u n c t i o n s may b e r a t h e r c o m p l i c a t e d 1 8 1 . However, s i n c e t h e b a r r i e r f o r m a t i o n i s o n l y d e p e n d e n t o n v e r y g e n e r a l p r o p e r t i e s o f t h e m e t a l d e n s i t y o f s t a t e s , we c a l c u l a t e t h e m e t a l - s e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n by a s s u m i n g t h e m e t a l t o f o r m a ( 1 1 1 ) - f . c . c . s t r u c t u r e m a t c h i n g t h e ( 1 1 1 ) - c o v a l e n t f a c e . I t i s w o r t h r e m a r k i n g t h a t t h e i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s d e f i n i n g t h e s - a n d d-bands o f t h e m e t a l h a v e b e e n c h o s e n t o r e p r o d u c e a p p r o x i m a t e l y t h e e l e c t r o n d e n s i t y o f s t a t e s o f t h a t m e t a l f o r m i n g t h e j u n c t i o n . .

F o r a n e t c h e d j u n c t i o n , we i n t r o d u c e a n i n t e r l a y e r o f H b e t w e e n t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r w i t h one ad-atom i n t h e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e u n i t c e l l , s i t t i n g o n t o p o f t h e l a s t c o v a l e n t l a y e r [27].

At t h e i n t e r f a c e , we assume t o h a v e t h e same i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s f o r t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r a s w e r e c h o s e n i n t h e b u l k . The c l e a n j u n c t i o n i s f o r m e d by i n t r o d u c i n g some new i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s b e t w e e n t h e l a s t l a y e r s o f t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r ; s p e c i f i c a l l y , we assume t o h a v e d e f i n i t e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e d a n g l i n g - b o n d c o v a l e n t - h y b r i d a n d t h e two m e t a l o r b i t a l s . The e t c h e d j u n c t i o n i s formed by s w i t c h i n g - o n t h e m e t a l - a d - a t o m a n d t h e semi- c o n d u c t o r - a d - a t o m i n t e r a c t i o n s .

The f o l l o w i n g p o i n t t o b e d i s c u s s e d i s how t o g e t s e l f - c o n s i s t e n c y a t t h e j u n c t i o n . F o r t h e c l e a n m e t a l - s e m i c o n d u c t o r

j u n c t i o n t h i s i s a c h i e v e d by d e t e r m i n i n g t h r e e p a r a m e t e r s :

v::)

^{a n d}

v&O) ( t h e two d i a g o n a l p e r t u r b a t i o n s a t b o t h s u r f a c e l a y e r s ) a n d D , t h e i n d u c e d d i p o l e b e t w e e n t h e m e t a l and t h e s e m i c o n d u c t o r . T h e s e p a r a m e t e r s a r e d e t e r m i n e d by t h e f o l l o w i n g t h r e e c o n d i t i o n s :

( i ) C h a r g e n e u t r a l i t y i n t h e f i r s t s e m i c o n d u c t o r s u b l a y e r :

T h i s c o n d i t i o n a p p e a r s d u e t o t h e s t r o n g c o u p l i n g b e t w e e n t h e i n t e r - f a c e a n d t h e s e m i c o n d u c t o r s u b l a y e r . ( H e r e a f t e r , 6n d e f i n e s t h e c h a r g e n minus t h e n e u t r a l v a l u e n o ) .

( i i ) Whole c h a r g e n e u t r a l i t y :

T h i s e q u a t i o n e x p r e s s e s t h e whole c h a r g e n e u t r a l i t y a s s o c i a t e d t o t h e s e m i c o n d u c t o r a n d m e t a l s u r f a c e l a y e r s .

( i i i ) F i n a l l y , t h e i n d u c e d d i p o l e , D , i s c o n n e c t e d w i t h t h e t r a n s f e r o f c h a r g e b e t w e e n t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r ,

6nh:) = - 6 n & g ) , by t h e e q u a t i o n :

w h e r e d i s t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e two l a s t l a y e r s o f b o t h c r y s t a l s , a n d a = 4a/A, A b e i n g t h e a r e a p e r s u r f a c e s e m i c o n d u c t o r atom.

F o r a n e t c h e d j u n c t i o n we h a v e a n o t h e r p a r a m e t e r t o d e t e r m i n e , EH, t h e mean l e v e l f o r t h e i n t e r l a y e r . A new c o n d i t i o n i s i n t r o d u c e d

C5-404 JOURNAL DE PHYSIQUE

by r e l a t i n g EH t o t h e e l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l i n d u c e d a t t h e i n t e r - l a y e r and t h e e l e c t r o s t a t i c r e p u l s i o n between e l e c t r o n s o f d i f f e r e n t s p i n s i n s i d e t h e ad-atom.

3. RESULTS AND DISCUSSION

We h a v e c a l c u l a t e d i n d e t a i l t h e Si-Ag and C-Ag c l e a n i n t e r - f a c e s , and t h e Si-H-Ag e t c h e d j u n c t i o n .

F o r S i and C we h a v e u s e d t h e p a r a m e t e r s g i v e n i n T a b l e I [201.

The P a n d e y - P h i l l i p s p a r a m e t e r s f o r S i /24] g i v e a Fermi l e v e l f o r t h e f r e e s u r f a c e p r a c t i c a l l y c o i n c i d i n g w i t h t h e v a l e n c e band e d g e . A s t h e j u n c t i o n s i s f o r m e d , t h e Fermi l e v e l e n t e r s t h e v a l e n c e b a n d , and

TABLE I.- I n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n o f t h e S i - and C-band s t r u c t u r e s . Y 2 , Y3? Y4? Y5 a n d Yg ( i n eV) d e f i n e t h e f i r s t - n e i g h b o u r s interaction I n Chadi-Cohen n o t a t i o n

125

1

; and ( p p a j 2 d e f i n e t h e P-P s e c o n d n e i g h b o u r s i n t e r a c t i o n s .

t h e s e l f c o n s i s t e n t c a l c u l a t i o n g i v e n above d o e s n o t seem f u l l y a p p r o p r i a t e . We h a v e c h e c k e d , however, [ 2 8 ] . t h a t by l o o k i n g f o r t h e s e l f c o n s i s t e n t s o l u t i o n i n t h e l a s t two semiconductor l a y e r s , as e x p l a i n e d a b o v e , we o b t a i n r e s u l t s i n good a g r e e m e n t w i t h o t h e r o n e s c a l c u l a t e d by u s i n g a b e t t e r d e s c r i p t i o n o f t h e s u r f a c e s t a t e s p o s i t i o n ( b u t a w o r s e d e s c r i p t i o n o f t h e v a l e n c e b a n d ) .

F o r Ag we u s e t h e f o l l o w i n g p a r a m e t e r s :

I n F i g u r e 1 we g i v e t h e d e n s i t y o f s t a t e s i n t h e l a s t semi- c o n d u c t o r l a y e r f o r : ( i ) a S i - f r e e s u r f a c e , and ( i i ) a Si-Ag i n t e r f a c e . These f i g u r e s i l l u s t r a t e how t h e Fermi l e v e l a t t h i s j u n c t i o n moves t o w a r d s t h e v a l e n c e band when t h e j u n c t i o n i s formed. A t t h e same t i m e , n o t e t h e d r a m a t i c d e c r e a s e o f t h e d e n s i t y o f s t a t e s a t t h e Fermi l e v e l a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n t h e v a l e n c e and c o n d u c t i o n b a n d s ,

I n o r d e r t o o b t a i n t h e b a r r i e r h e i g h t f o r t h e Si-Ag j u n c t i o n , we now t a k e i n t o a c c o u n t t h a t t h e Fermi l e v e l a t a f r e e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e i s 0 . 5 eV above t h e v a l e n c e band t o p [29]

.

P u t t i n g t o g e t h e r t h i s i n f o r m a t i o n and t h e r e s u l t s shown i n F i g u r e 1, we o b t a i n t h e f o l l o w i n g b a r r i e r h e i g h t :

a v a l u e t o be compared w i t h t h e e x p e r i m e n t a l b a r r i e r h e i g h t o f 0.79 e v

[I].

A s r e g a r d s t h e C-Ag j u n c t i o n , we g i v e i n F i g u r e 2 t h e d e n s i t y o f s t a t e s a t t h e l a s t s e m i c o n d u c t o r l a y e r f o r t h e c l e a n C - s u r f a c e and t h e C-Ag i n t e r f a c e . C o n t r a r y t o t h e S i c a s e , f o r C we f i n d t h a t t h e Fermi l e v e l a t t h e i n t e r f a c e moves t o w a r d s t h e c o n d u c t i o n band when t h e j u n c t i o n i s formed.

c o n d u c t o r s u r f a c e l a y e r , f o r ( a ) a f r e e Si s u r f a c e ( f u l l l i n e ) , ( b ) a Ag-Si i n t e r f a c e ( d o t t e d l i n e ) .

FIGURE 2.- A s F i g u r e 1, f o r C.

Now, we assume t h a t t h e Fermi l e v e l a t t h e C - f r e e s u r f a c e i s a r o u n d 1 eV above t h e v a l e n c e b a n d e d g e [30,31] ; w i t h t h i s i n f o r m a t i o n we h a v e o b t a i n e d t h e f o l l o w i n g b a r r i e r h e i g h t :

C5-406 JOURNAL DE PHYSIQUE

T h i s r e s u l t c a n o n l y b e compared w i t h t h e e x p e r i m e n t a l b a r r i e r h e i g h t f o r a C-Au j u n c t i o n : 1 . 3 5 eV / 3 2 ] . N o t e , h o w e v e r , t h a t we h a v e o b t a i n e d f o r t h i s j u n c t i o n a b a r r i e r h e i g h t o f 1 . 3 2 + 0 . 3 eV, by

a s s u m i n g t h a t t h e main d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e Ag and Au c a s e s a p p e a r s t h r o u g h t h e i r d i f f e r e n t w o r k f u n c t i o n s .

W e t u r n now o u r a t t e n t i o n t o t h e Si-H-Ag j u n c t i o n . I n t h i s c a s e , t h e p a r a m e t e r s d e f i n i n g t h e i n t e r f a c e a r e t h e f o l l o w i n g [ 2 6 , 2 7 ] :

Our s e l f c o n s i s t e n t c a l c u l a t i o n g i v e s a p o s i t i o n f o r t h e Fermi l e v e l o f t h i s j u n c t i o n a t t h e s e m i c o n d u c t o r g a p , 0 . 0 2 + 0 . 0 5 eV below t h e Fermi l e v e l f o r t h e Si-Ag j u n c t i o n . I n o t h e r w o r d s , o u r r e s u l t s show no i m p o r t a n t m o d i f i c a t i o n o f t h e b a r r i e r h e i g h t a s s o c i a t e d t o t h e i n t e r l a y e r .

We h a v e a n a l y s e d t h e e f f e c t o f t h e ad-atom e l e c t r o n e g a t i v i t y by c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r s u s e d f o r H i n o r d e r t o s i m u l a t e C s - a n d

C 1 - i n t e r l a y e r s , two e x t r e m e c a s e s i n e l e c t r o n e g a t i v i t y

.

Our r e s u l t s show t h a t atoms o f h i g h ( l o w ) e l e c t r o n e g a t i v i t y s h i f t t h e i n t e r f a c e Fermi l e v e l t o w a r d s h i g h e r ( l o w e r ) e n e r g i e s , l o w e r i n g ( i n c r e a s i n g ) t h e b a r r i e r h e i g h t . I n any c a s e , t h o s e c h a n g e s a r e i n no c a s e g r e a t e r t h a n 0 . 2 eV [15].

L e t us f i n a l l y comment on t h e b a r r i e r h e i g h t f o r m a t i o n a t t h e j u n c t i o n s . F o r a n a b r u p t i n t e r f a c e , t h e b a r r i e r h e i g h t i s d e t e r m i n e d by t h e d e n s i t y o f s t a t e s n e a r t h e Fermi l e v e l i n t h e s e m i c o n d u c t o r

gap. F o r a c l e a n s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e t h i s d e n s i t y i s h i g h a n d i s d e t e r m i n e d by t h e s u r f a c e b a n d ; a s f a r a s t h e m e t a l - s e m i c o n d u c t o r c o u p l i n g i s s w i t c h e d o n , t h i s d e n s i t y o f s t a t e s a t t h e F e r m i l e v e l d e c r e a s e s , an e f f e c t i n d u c e d by t h e b r o a d e n i n g o f t h e c l e a n semi- c o n d u c t o r s u r f a c e s t a t e s ( S i ) o r b y t h e s p l i t t i n g o f t h e s e s u r f a c e s t a t e s i n t o b o n d i n g and a n t i b o n d i n g s t a t e s d u e t o t h e i r i n t e r a c t i o n w i t h t h e m e t a l . ( N o t e how f o r C , t h e d a n g l i n g - b o n d s u r f a c e s t a t e s show a s t r o n g a t o m i c c h a r a c t e r , g i v i n g w i t h t h e ad-atom o r b i t a l s b o n d i n g a n d a n t i b o n d i n g s t a t e s ) . T h i s p r o c e s s e x p l a i n s why t h e F e r m i l e v e l f o r t h e j u n c t i o n a t t h e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e a l m o s t c o i n c i d e s w i t h t h e Fermi l e v e l f o r t h e c l e a n s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e .

S u m m a r i s i n g o u r r e s u l t s , we h a v e f o u n d t h a t :

( i ) F o r i d e a l a b r u p t i n t e r f a c e s , t h e Fermi l e v e l a t t h e c o v a l e n t s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e i s l o c a t e d c l o s e t o t h e Fermi l e v e l f o r t h e c l e a n s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e . F o r S i , we h a v e f o u n d s m a l l s h i f t s o f t h e Fermi l e v e l t o w a r d s t h e v a l e n c e b a n d [33]

,

w h i l e f o r C t h e Fermi l e v e l moves t o w a r d s t h e c o n d u c t i o n b a n d .

( i i ) F o r e t c h e d j u n c t i o n s , ad-atoms o f h i g h ( l o w ) e l e c t r o - n e g a t i v i t y s h i f t s t h e Fermi l e v e l a t t h e s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e t o w a r d s t h e c o n d u c t i o n ( v a l e n c e b a n d .

A l l t h e s e r e s u l t s seem t o b e i n r e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t h t h e a v a i l a b l e e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e .

Acknowledgements

T h i s work h a s b e e n s u p p o r t e d by t h e U.S. Army v i a i t s E u r o p e a n R e s e a r c h O f f i c e ( c o n t r a c t DAJA 37-82-C-0118).

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