ab initio study of bands alignments in Metal-Oxide-Semiconductor stack

Etude ab initio des alignements de bandes dans les empilements Métal-Oxyde-Semiconducteur

Pierre-Yves Prodhomme (1)

1 CEA-LETI - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information

The failure of bands alignment models to predict bands alignment in MOS stack (metal-oxide-semiconductor) make it useful and interesting an atomistic study. We show two ab initio theories: Firstly the density functional theory of which depend the Abinit and Siesta codes used to study the quantum nature of materials; then the GW approximation theory which correct electronic energy levels badly assessed with the approximation used in DFT computation. These two theories are applied to each material compounding the stack. Then we study how the dipole interferes with the bands alignment. Thanks to the GW approximation, the Van de Walle and Martin method is retrofit to evaluate precisely these bands alignment. Finally this method is applied to several oxide/semiconductor and metal/oxide interfaces and shows that the band alignment computed are in good agreement with experimental measurements.

L'échec des modèles pour prévoir l'alignement de bandes dans un empilement MOS (métal-oxyde-semiconducteur) rend utile et intéressant une étude à l'échelle atomique. Nous exposons deux théories ab initio: d'abord la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), dont dépendent les codes Abinit et Siesta utilisés pour étudier la nature quantique des matériaux ; puis la théorie de l'approximation GW qui corrige les niveaux d'énergies électroniques mal évalués avec l'approximation utilisée en DFT. Ces deux théories sont appliquées à chaque matériau composant l'empilement. Puis nous étudions la façon dont intervient le dipôle dans l'alignement de bandes. La méthode de Van de Walle et Martin est adaptée pour évaluer de façon précise ces alignements grâce à l'approximation GW. Enfin cette méthode est appliquée aux différentes interfaces oxyde/semiconducteur et métal/oxyde et montre que les alignements de bandes estimés par simulation tendent vers un accord avec les mesures expérimentales.

Mots clés: bands alignments; electronic energies

Mots clés: ab initio; alignements de bandes; niveau d'énergies électroniques; DFT; GW

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Pierre-Yves Prodhomme. Etude ab initio des alignements de bandes dans les empilements Métal-Oxyde-Semiconducteur. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. INSA de Rennes, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00639024⟩