[論文レビュー] Point defects on III-V semiconductor surfaces

G. Schwarz, Jörg Neugebauer+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2000

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、GaAs(110)表面における点欠陥の生成エネルギー、原子的配置、および電荷移動準位を計算した。ガリウム過剰条件下ではヒ素空位（V_As）が主要な電気的に活性な欠陥であるが、その平衡濃度は実験的に観察されたフェルミ準位のピンナップを説明するには低すぎる。これは、実際の系では動的過程が高濃度欠陥を駆動していることを示唆する。

ABSTRACT

The basic properties of point defects (atomic geometry, the position of charge-transfer levels, and formation energies) on the (110) surface of GaAs, GaP, and InP have been calculated employing density-functional theory. Based on these results we discuss the electronic properties of surface defects, defect segregation, and compensation.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、III-V半導体(110)表面における内在的点欠陥の原子的および電子的構造を特定すること。
• 化学ポテンシャルおよびフェルミ準位の関数としての点欠陥の生成エネルギーを計算し、それらの熱力学的安定性を評価すること。
• 点欠陥が半導体表面におけるフェルミ準位のピンナップ、欠陥のセグリゲーション、および補償に果たす役割を調査すること。
• 平衡欠陥濃度を推定し、実験的観察と比較することで、表面欠陥の起源が熱力学的か動的かを評価すること。

提案手法

• 交換・相関に局所密度近似（LDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 表面点欠陥をモデル化するため、GaAs(110)表面に6層スラブと(2×4)スーパーセルを用い、収束性および精度を確保した。
• 生成エネルギーは次の式で計算した：$ E_{\text{f}}(V_{\text{As}}^{q}) = E(V_{\text{As}}^{q}) - E(\text{slab}) + \mu_{\text{As}} + qE_{\text{Fermi}} $、ここで$ \mu_{\text{As}} $はガリウム過剰からヒ素過剰条件まで変化する。
• 生成エネルギーとフェルミ準位の関係曲線の傾きから、電荷状態間の遷移を特定する電荷移動準位を決定した。
• ボルツマン因子を用いて平衡欠陥濃度を推定した：$ C = C_0 \, e^{-E_{\text{f}} / k_B T} $、室温を仮定し、振動的エントロピーは無視した。
• 理論的欠陥濃度を、STMおよび光電子分光法による実験的値と比較し、熱力学的制御と動的制御の両者を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAs(110)表面における点欠陥（空孔、反位、付加原子）の原子的配置と電子的構造は何か？
• RQ2 点欠陥の生成エネルギーは、化学ポテンシャルおよびフェルミ準位位置にどのように依存するか？
• RQ3 どの点欠陥がIII-V半導体表面において補償中心として作用するか、またはフェルミ準位のピンナップを引き起こすか？
• RQ4 表面点欠陥の平衡濃度は、実験的に観察された高濃度欠陥を説明できるか？
• RQ5 実験的に観察された高濃度欠陥は、熱力学的に安定しているのか、それとも動的過程によって駆動されているのか？

主な発見

• ガリウム過剰条件下ではヒ素空孔（V_As）が主要な電気的に活性な点欠陥であり、フェルミ準位が伝導帯下端にあるときの生成エネルギーは0.47 eVであった。
• ヒ素過剰条件下およびn型ドーピング条件下では、ガリウム空孔（V_Ga）およびヒ素付加原子が最も安定な電気的に活性な欠陥と予測された。
• 極端にヒ素過剰条件下では中性のAs_Ga反位の生成エネルギーは負値を示し、熱力学的不安定性を示し、完全なヒ素層の形成傾向がある。
• ガリウム過剰条件下では電気的に活性な欠陥の平衡濃度は約10^6 cm⁻²と推定されたが、フェルミ準位がV_Asの電荷移動準位（価電子帯から0.2 eV上）にピンナップすると、10⁻⁹ cm⁻²にまで低下した。
• 理論的平衡濃度は、実験的に観察された欠陥濃度（例：InP(110)では約2×10¹² cm⁻²）を説明するには低すぎるため、高濃度欠陥は熱力学的に安定ではなく、むしろ動的過程によって駆動されていると考えられる。
• 欠陥の緩和は非常に局所的であり、最近接原子のみが顕著な変位（≤0.5 Å）を示した。表面の対称性は一般に保たれたが、正に帯電したAs空孔を除き、非対称な緩和を示した。