Sur l'analyse de l'ancrage du niveau de Fermi à la surface des composés III-V

HAL Id: jpa-00209913

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00209913

Submitted on 1 Jan 1984

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Sur l’analyse de l’ancrage du niveau de Fermi à la

surface des composés III-V

A. Ismail, J.-M. Palau, L. Lassabatère

To cite this version:

Sur

_l’analyse

de

_l’ancrage

du

niveau

de

Fermi

à

la

surface

des

_composés

III-V

A.

Ismail,

J. M. Palau et L. Lassabatère

Laboratoire d’Etudes des Surfaces, Interfaces et _Composants (*),

U.S.T.L., place Eugène Bataillon, 34060

_Montpellier

Cedex, France

(Reçu le

_{23 fevrier}

1984, révisé le 30 mai, accepté le _{18 juin 1984)}

Résumé. 2014 Ce travail est consacré à

l’analyse de _l’ancrage du niveau de Fermi sur les matériaux _III-V, en termes

de modèle d’état, de charge dans ces états et à la surface. Partant des résultats considérés comme _acquis dans la

bibliographie,

résultats concernant GaAs et à un _degré moindre InP, nous montrons _qu’un modèle à deux états

peut rendre compte de la _majorité d’entre eux. En

_particulier,

_l’ancrage du niveau de Fermi sur GaAs

_s’explique

bien à condition de

_positionner

_{l’accepteur} au-dessus du donneur. L’interaction de différents métaux conduisant

expérimentalement

à des ancrages du niveau de Fermi situés, dans tous les cas, dans le tiers inférieur de la bande

interdite s’explique bien par ce modèle. Si l’évolution de _l’ancrage à très fort recouvrement _peut être, comme l’ont

fait différents auteurs, interprétée par l’apparition d’un état

supplémentaire,

on montre _{que l’hypothèse} d’une évo-lution de la

_position

_{énergétique} des états avec le recouvrement conduit au même résultat. Dans le cas de InP,

nous montrons _{que l’ancrage}

_près

de la bande de conduction

_s’explique

en _prenant en _compte un état donneur positionné au-dessus d’un état accepteur. Nous _expliquons les différences de

_positions

de _{l’ancrage caractéristiques} des différents métaux par de légères variations dans le taux de création des états par le métal.

Abstract. 2014

This paper deals with the surface Fermi level

pinning

on III-V _{compounds. Recently published}

experi-mental results show that the Fermi level _{pinning resulting} from surface _defects, metal _deposition, occurs in the

lower half of the gap for GaAs, in _{the upper half of the gap for InP. In} some cases the

_pinning

is

_slowly

_changed

when the metal coverage increases. These results have been

explained

by a two-state model _{supposing acceptor} and donor surface states (donors below _acceptors for _{GaAs, acceptors} below donors for _InP). However, the

ana-lysis

of these models and their use to

_explain

some

_experimental

results has to be extended. In _{this paper,} we first

analyse

a two-state model, the _{acceptor being} above the donor _(density

_Nd)

and then the _acceptor

_{(Na) being}

below the donor. We show that the Fermi level is much more

_strongly

_pinned in the second case and _study the

modification of this

_pinning

resulting from some variation in the

_(Na/Nd)

ratio. When the _acceptors are below the

donors, small variations in Na/Nd are needed to _strongly

_change

the Fermi level. _Experimental data

_concerning

InP

_pinning

can be

_explained

in _{this way. Furthermore,} we

_explain

results

_concerning

the Fermi level

displace-ment, when increasing the coverage,

by

using a third _{surface-state,}

_by

_supposing a shift in the surface state _position

induced _by the metal. We present numerical calculations _{corresponding} to these two _typical state distributions and show how to use them to

_explain

the

_experimental

data _concerning GaAs and InP.

Classification Physics Abstracts 73.30

1. Introduction.

Des etudes nombreuses effectu6es ces dernieres annees sur les

_composes

III-V

[1-11],

il ressort _que, lors de l’interaction

m6tal-semiconducteur,

le niveau de Fermi

EF.,

en surface est

_bloque

dans le _gap a une

_position

deja

bien 6tablie pour un recouvrement

_m6tallique

inferieur a la monocouche.

Dans la

_plupart

des cas, cette

_position

est

sensible-ment la meme _que celle _que l’on deduit des mesures

6lectriques

sur les diodes

_Schottky

obtenues en

aug-mentant

_{1’epaisseur}

du

_depot.

Dans la

_majorite

des

cas, ce

_blocage

du niveau de Fermi est attribue a des

d6fauts induits

_{qui perturbent}

l’interface,

d6fauts

aux-quels

on associe des niveaux

6nerg6tiques.

Sur les

composes

III-V un 6tat _accepteur et-un 6tat donneur

sont ainsi

_pris

en _{compte pour}

_interpreter

les resultats

exp6rimentaux.

’

Pour caract6riser

_1’ancrage,

il faut alors avoir des informations

_{quantitatives}

sur les differents

para-metres caract6risant les 6tats

_{(densite, position}

6ner-g6tique)

et

_analyser

le _processus de

_1’ancrage

en

fonction de ces

parametres.

Les resultats _que nous

_pr6sentons

sont obtenus à

partir

d’un modele

_simple

a deux 6tats

discrets,

modele que nous utilisons _pour

_interpreter

des donn6es

exp6-rimentales relatives a des structures tres fortement etudiees a 1’heure actuelle. Nous etudions les

1718

butions de

_charge

dans les

6tats,

la

_position

de

_EFs,

le role des

_positions

relatives des 6tats

_(6tats

donneurs au-dessus et au-dessous de 1’etat

_accepteur)

et

mon-trons

_qu’on

_peut, a

_partir

de cette

_etude,

_expliquer

certaines 6volutions de

_EFs

en fonction du traitement de surface

_{(temperature...)}

ou lors de l’interaction

avec des _gaz, des m6taux

_[11-14].

Par

exemple,1’evo-lution de la

_position

du niveau de Fermi avec la

quantite

de metal

_depose,

observ6e sur certains

mat6riaux,

peut

s’interpr6ter

par

1’apparition

d’un

accepteur

suppl6mentaire

situ6

plus

bas _que les deux

autres

_6tats,

ou _par 1’evolution des 6tats en cours de

depot.

De

_meme,

le fait _que sur certains

_materiaux,

la

position

de

_1’ancrage

soit

_{pratiquement ind6pendante}

du metal

_depose

alors _que sur

d’autres,

en fonction de la nature du

metal,

on

_puisse

obtenir des 6tats de

blocage

differents

_peut

_{s’interpr6ter simplement}

par

1’analyse

des resultats du calcul. On montre en effet que si les

accepteurs

sont au-dessous des

_donneurs,

et dans ce cas

_seulement,

une faible variation du

rapport

Na/Nd qui pourrait

etre reli6 a la nature du

metal,

peut

conduire a un basculement de la

_position

de

_1’ancrage

de

_EFS.

2. Conditions de

_1’ancrage.

Modilisation.

L’expression

la

_{plus g6n6rale qui}

rend

_compte

de la

distribution

des

_charges

a la surface d’un

semiconduc-teur s’6crit sous la forme

Qsc et Qss

6tant

_{respectivement}

la

_charge

dans la zone

de

_{charge d’espace}

et dans les 6tats et

_Q;

la

_charge

induite dans le semiconducteur par un

champ

ext6-rieur,

un contact avec un metal de travail de sortie

different de celui d’un semiconducteur.

En 1’absence d’6tats de surface

_Qss

=

0,

_toute la

charge

induite se trouve distribuee dans la zone de

charge d’espace.

On a alors

Qsc

=

Q;.

En

presence

d’6tats de surface et en 1’absence de toute action ext6rieure ou contact

_Qi

= 0. Alors

11 _y a formation d’une zone de

_{charge d’espace}

due

uniquement

aux etats. Nous allons nous

_placer

dans

cette

_hypothese

pour 6tudier les conditions

4e

1’an-crage du niveau de Fermi a 1’aide d’un

models simple

a deux etats discrets sch6matis6s

_figure

1. On

_d6signe

par

Ea, Ed, Na, Nd, Qsa, Qsd

les

positions 6nerg6tiques,

Fig. 1. -

Diagramme

de bande d’un modele

_simple

a deux 6tats _discrets, un _accepteur et un donneur.

[Schematic energy band diagram for a semiconductor with

two discrete surface _states.]

les

_densit6s,

les

_charges

_{respectivement}

de 1’etat

accepteur et de 1’etat donneur.

_{Qsa, Qsd}

sont relies a la

position 6nerg6tique

de 1’etat et a celle du niveau de Fermi en surface

_EF,

_par les relations

avec

g facteur de

degenerescence egal

a 4 pour les

accepteurs

et 2 _pour les donneurs dans le cas d’InP et GaAs

_[15].

EFs

est reli6 a la

_{position EF}

du niveau de Fermi en volume et a la hauteur de la barri6re de

_potentiel

de surface

_{Vs par la}

relation

La

_{charge Qsc}

du semiconducteur

_suppose

non

ou s est la

_{permittivit6 di6lectrique}

du semiconducteur

et u et _Ug sont donnes _{par :}

L’6change

de

_charges

entre le

semiconducteur

et les 6tats de surface courbe les bandes en surface. La

neutralite

6lectrique

du

_systeme

se traduit par

1’6qua-tion :

Cette relation contient

_{plusieurs parametres : Na,}

Na, Ea, Ed, Vs -

Sa resolution _pour determiner

_EFS

s’effectue,

apres

qu‘on

ait fixe les autres

_parametres,

par voie

num6rique

ou

graphique

comme l’illustre la

figure

2 ou les

_points

d’intersection des r6seaux

_{QS(V S)}

et

_Qsc(Vr,)

conduisent a des valeurs tres voisines de

EF..

Dans la mesure ou les intersections se situent sur

la

_partie

verticale des courbes

_Qss(Vs),

ce

_qui

corres-pond

a des conditions de

_dopage

et de densite d’6tats bien

_definis,

il en sera

_toujours

ainsi et on aura

effec-tivement _ancrage de

_EF,.

En

_particulier,

si les densit6s d’6tats sont 6lev6es

_(>

1013

_{CM-2 ),}

_EF.,

sera

_bloque

sur une

_{position pratiquement ind6pendante}

du niveau de

_dopage

du semiconducteur. Cet ancrage est souvent

plus

fort

_lorsque

des 6tats donneurs et _{des 6tats} accep-teurs sont simultan6ment

_presents

en

_surface,

et ce en

raison de la

_{compensation qui}

r6sulte du

_signe

_oppose

des

_{charges qu’ils}

_portent,

_{compensation qui}

est

d’autant

plus importante

que le niveau de

1’accepteur

est

_plus

bas et celui du donneur

_plus

haut.

La

_figure

2 illustre ce

_point

et montre de

_plus

_que dans certains cas,

_lorsqu’il

existe

plusieurs

etats de

chaque

type,

le

_systeme

_peut

_pratiquement

se reduire a deux etats

_{l’accepteur qui}

a

_1’energie

la

_plus

basse

et le donneur

_qui

a

1’energie

la

_plus

haute. De

meme,

lorsque

trois 6tats donneurs et trois 6tats

_accepteurs

d’energie

par rapport a la bande de valence et densit6s

respectives

sont simultanement

_presents,

la

_position

de

_Eps

est

pratiquement

la meme _que si

_{Ea 1}

et

_Edl

etaient seuls

presents.

Dans le cas ou seuls les trois

_accepteurs

sont

presents

en surface tout se _passe comme si le

_plus

profond

etait seul.

Ce raisonnement

_peut

etre 6tendu a une bande d’6tat de densite

uniforme,

de bomes

_{E1, E2.}

La bande

peut

etre

_remplac6e

_par un 6tat

_{equivalent Et}

tel _{que :}

Fig. 2. -

(GaAs type n.) Evolution de la densite de _charge

en surface et dans le semiconducteur en fonction de la

position du niveau de Fermi en surface (EFS = _{EF -}

qVS).

Determination

_graphique

de la _position de _EF ten surface.

[Surface Qss and bulk QSc charge densities versus the surface

Fermi level

_position

EF, for : three discrete _acceptor states.

Three _acceptors and three donors. One acceptor and one

donor. One _acceptor state. Semiconductor : GaAs n

_type.]

Cette

_equivalence

est illustr6e

_figure

3,

figure qui

montre, par

ailleurs,

qu’elle

n’est valable _que si

l’occu-pation

des etats est inferieure a

10-1.

Les

_analyses

pr6c6dentes

peuvent

etre 6tendues au cas d’un

semi-conducteur

_{charge (charge}

induite

_{Q; )}

_par

_exemple.

En

effet,

lorsque l’ancrage,

tel _que nous venons de

1’etudier,

est

_realise,

la barriere de surface est

pratique-ment fix6e _par les etats. Une faible variation

_{de Vs}

autour de la

_{position d’ancrage}

entrainerait une tres forte variation de

_Qss

alors que

Qsc

resterait

pratiquement inchangé.

La

_{charge Qi}

serait donc _pour 1’essentiel

_emmagasinee

dans les 6tats de surface sans

que VS

soit sensiblement modifi6. 3.

_Exemples

et discussion.

De nombreuses donn6es

exp6rimentales

mo’ntrent

que sur

_GaAs,

le niveau de Fermi en surface est

_bloque

dans la moiti6 inferieure du gap

(I

Vsn

I

>

_Vsp)

_par des

6tats _accepteurs et donneurs. Pour

InP,

EFs

est

6ga-lement

_bloque

_par des 6tats _accepteurs et

_donneurs,

1720

Fig. 3. - Fonction

d’occupation d’une bande d’etats de surface de densite uniforme et des bornes _{E 1, E2} et d’un 6tat discret

_{equivalent Et}

tel que :

[Comparison

of the surface _{charge density} variation with EFS for a discrete state _{(level position E,)} and a band state

(Boundaries E1, E2, density

N,(E)

= constant) with

Par

ailleurs,

les

_exemples

de 1’evolution de

_EF,

en fonction des

_{parametres Na,}

_{Nd (Ea et Ed}

etant

fix6es)

donnes _par les

_figures

_{4, 5, 6, 7, 8,}

font nettement

apparaitre,

en

_{particulier lorsque}

les densit6s

_{Na, Nd}

sont elevees

_(>

1013

_{cm- 2)}

des differences de

proces-sus de

_l’ancrage

de

_EFs

selon

_{que Ea > Ed ou Ed}

>

_E..

CAS 1 :

_Ea

>

_Ed.

-

Lorsque

le donneur est au-dessous de

_{l’accepteur, l’ancrage}

du niveau de Fermi en’surface n’est _pas tres fortement

6nergique (Fig.

4).

L’ecart

entre les _types n et _p devient inferieur a

0,1

eV

_lorsque

les densites

_atteignent

1014 cm-2.

_EFs

est

_plut6t

proche

de

_{1’accepteur}

_pour le _{type n,} du donneur _pour le

_type

_{p. La}

_position

de

_1’ancrage

est faiblement

déplacée

par modification du rapport entre les densit6s de

_{1’accepteur}

et du donneur. Ces _{comportements}

sont dus au fait _que

lorsque

le donneur est en dessous de

_{1’accepteur,}

les

_charges

_que

_portent

les deux 6tats

sont faibles _par

_rapport

a leurs densit6s et la

_quantite

de

_charge

mutuellement

_compens6e

entre le

_dqnneur

et

_{1’accepteur}

est

_6galement

faible.

Fig.

4. - GaAs

(n = 5 x 1016

cm - 3, p

= 5 x 1016

CM-3).

Exemple de variations du niveau de Fermi en surface sur

types n et _p en fonction des densit6s _Na et _Nd des 6tats

accepteur et donneur

_d’energie

_Ea = 0,7 eV _et

Ed = 0,4 par rapport a la BV.

[GaAs

(n = 5 x 1016 cm-3

_{and p}

= 5 x 1016

CM-3)

Ea > _Ed. Surface Fermi level _position versus surface state

density Na, Nd for _acceptor and donor surface

_states.]

Ce

_r6sultat,

comme nous 1’avons montre

figure

3,

peut etre

6tendu,

en

premiere approximation

au cas de deux bandes d’6tats moderement

_larges.

Partant des conclusions

_pr6c6dentes,

on _peut

expli-quer la faible influence de la modification de la surface de GaAs sur le

_{positionnement}

de

_EF

en

surface,

dans des diodes

_Schottky

et _par

_exemple

le fait _que la modification de la surstructure de la surface de GaAs

q ui

entrainerait une modification du

_rapport

2013 j

ait

Nd

peu d’action sur la barriere de

_Schottky

_[17].

Les r6centes observations

_{exp6rimentales}

sur certains

composes

III-V concernant le

_deplacement

de la

position

de

_1’ancrage

de

_quelques

centaines de meV en fonction du taux de couverture en m6taux nobles

[11,12,14]

ou en fonction de la nature du metal

_[8,10,

13]

peuvent

s’interpr6ter

a 1’aide de ce meme modele

en _supposant un

_deplacement

des niveaux des 6tats ou

1’apparition

d’6tats differents comme l’ont

_propose

divers auteurs. Les

_figures

5 et 6 illustrent ces deux

hypotheses.

Dans le cas de la

_figure

_5,

nous _supposons un

glissement

monotone des niveaux du donneur et de

1’accepteur

avec le recouvrement et ce, a

_partir

d’un certain taux de couverture

_m6tallique

_(0,1

mC _par

exemple).

11 en r6sulte une evolution de

_EF,

vers le bas

suivant le

_glissement

des 6tats. Dans le cas de la

figure

6,

nous _supposons comme

_sugg6r6

_par Skeath

et al.

_{[14], qu’a partir}

d’un certain taux de couverture

Fig. 5. - GaAs (n = 5 x

1016 cm- 3, p

= 5 x

1016 cm- 3).

Exemple

de 1’evolution de la _{position d’ancrage} de _Eps en

fonction des densités _Na et _Nd des etats _accepteur et donneur

d’énergie

Ea et _Ed,

_Ed

_Ea

_Eg/2.

Cas ou les niveaux _Ea

et Ed evoluent pour Na, Nd

> 5 x 1012 cm - 2.

[GaAs n = 5 x 1016

_cm-3,

_p = 5 x 1016

cm-3 Ea

> _Ed.

Surface Fermi level _position versus _{Na, Nd. Ea} and _Ed decrease

_together

when _Na and _Nd become _higher than

1013

cm-2.]

Fig. 6. - GaAs

(n = _{5 x} 1016

cm-3, p

= 5 x 1016

cm-3).

Exemple

de 1’evolution de la

_position

_d’ancrage de _EF,, en

fonction des densit6s _Na et _Nd des _accepteurs et donneurs. Cas ou un etat accepteur

d’energie

Ea, et de densite _Na2

apparait

pour Na1 et _Nd > 1013 cm-2.

[Same

as for _figure 5 but for _Na > 1013

cm-2 ,

_Nd > 1013

cm-2,

a new _acceptor state _appears

_(density

_{Na2, position}

Ea2)

and the donor

_density

remains constant _equal to

2 x 1013

_{cm- 2.]}

accepteur

suppl6mentaire (situ6

par

exemple

a

0,2-0,3

eV de la bande de

_valence).

Le

_systeme

est

alors à trois 6tats : un

_donneur

et deux _accepteurs;

_EFs

_sera,

comme le montre la

_figure

_2,

fortement influence _par 1’etat

_accepteur

le

_plus

bas

_lorsque

sa densite est

sup6rieure

a

_Qsc.

Dans

_l’exemple

de la

_figure

_6,

nous avons

_suppose

qu’apres l’apparition

du niveau

_E.2,

la densite de 1’6tat donneur restait constante. S’il n’en etait pas

ainsi,

EF., serait,

en

_effet,

_bloque

au

_voisinage

du niveau

donneur,

car le

_systeme

est

_equivalent

a un ensemble de deux

6tats,

le donneur

_etant,

cette

_fois,

au-dessus de

_{1’accepteur.}

CAS 2 :

_Ed

>

_Ea.

-

Lorsque

le donneur est au-dessus de

_{1’accepteur (Fig.}

₇₎

on

_distingue

deux

_types

de

Fig.

7. - InP

(n = 5 x 1016

CM-3,

_p = 5 x 1016

cm-3).

Exemple

de variations du niveau de Fermi en surface sur type n et _p en fonction des densites _Na et _{Nd des 6tats} accep-teur et donneur

_d’energie

_Ea = 0,8 eV et Ed = 1,1 eV par rapport a la BV.

[lnP (n = 5 x 1016 cm-3, p = 5 X 1016 cm-3) Ed

> E,. Sur-face Fermi level _position versus surface state densities _Na,

Nd.]

comportement du niveau de Fermi. Si

_Na

et

_Nd

sont

rigoureusement égaux, l’ancrage

de

_Eps

_{n’est pas} tres

fort. II est semblable a celui obtenu _pour

_E.

>

_Ed.

Si au contraire

_Na

et

_Nd

sont

_{différents, I’ancrage}

est

tres net et

_{EFsn ~}

_EF,p.

Le niveau de Fermi se fixe au

voisinage

de 1’etat de

_plus

forte densité. De faibles

N

variations du

_rapport

_pp

Na

de

_part

et d’autre de la

Nd

p

valeur 1 suffisent _pour faire basculer

_Eps

d’un 6tat à 1’autre

_{(Fig. 8).}

Ces

_{comportements}

_{s’expliquent}

_par le fait _que le donneur et

_{1’accepteur}

sont tous deux

forte-ment

_charges,

mais leurs

_{charges respectives}

se

compensent

presque

completement,

ce

_qui

conduit

1722

Fig. 8. _{- InP (n} = 5 x 1016

CM-3,

_p = 5 x 1016

_cm-3),

cas

_{ofi Ed}

> _Ea. Position du niveau de Fermi en surface en

fonction du _{rapport N a/ N d lorsque} les densit6s d’etats sont

assez

_grandes

pour que EFsn ~

EFsp.

rlnP (n = 5 x 1016 cm-3.

" = 5 X JOl6 cm-3) Ed > E,.

Surface Fermi level position versus _Na/Nd when the surface

state

_density

is _{high enough} to

_pin

the Fermi level

_{(EFsn ~}

EFsp)-l

faible _que celle _{que portent} les 6tats. de 1’ordre de

1012 CM-2.

Si

_Na

et

_Nd

sont

_differents,

1’&tat dont la densite est la

_plus

faible est _presque

_completement

charge ;

sa

charge

est fortement

_compens6e.

Ces resultats

_permettent

d’avancer une

_explication

a 1’existence de deux

_{positions d’ancrage}

a l’interface m6tal-InP _par

_exemple.

En

_effet,

si on considere _que

l’ancrage

est du aux etats situ6s dans le _gap d’une

fagon

semblable a celle donn6e

figure

5,

6tats associ6s aux lacunes d’In et de P

_[3-10],

on

_peut

s’attendre a ce _que la modification de la nature de 1’adsorbat

ou du metal

depose

favorise

1’apparition

de l’un des

d6fauts par

rapport

a

_1’autre,

ce

_qui

aurait comme

Na

consequence

une modification du

_rapport

_pp

Na

et donc

N d

le basculement de

_EF,

vers 1’etat de

_plus

forte densite. II n’en serait _pas n6cessairement ainsi si le donneur etait au-dessous de

_{1’accepteur.}

RECHERCHES DES

_{CARACTTRISTIQUES}

DES ÉTATS A PARTIR DE DONNTES EXPÉRIMENTALES. - Dans

1’hypothese

de deux 6tats discrets et _partant des barrieres

_Vsn

et

Vsp

exp6rimentalement

d6termin6es sur les 6chantillons

de

_type

n et _p, nous recherchons les differentes

combi-naisons

_{6nergie-densit6 possibles}

_pour

_{1’accepteur}

et

le donneur. Nous avons

_pris

comme

exemple

l’inter-face Al-GaAs. Dans ce cas

_EFsn

et

_EFsp

se situent à environ

_0,65-0,70

eV de la bande de valence. Si

_EF,

se

bloque plus

bas dans le _gap, le calcul montre

_qu’un

simple d6placement

de

_{l’accepteur}

_et/ou du donneur

vers des niveaux

plus bas,

peut

rendre _compte de la nouvelle

_position

de

_{EFS (voir 1’exemple}

de la

_{Fig. 5).}

Les resultats du calcul des

_{parametres E., Na,}

_{Ed, Nd}

conduisant a cet _ancrage sont

_pr6sent6s

sous forme

de deux

_{abaques correspondant respectivement}

aux

cas

_Ea

>

_Ed

et

_Ed

>

_Ea.

Elles _peuvent etre

_analysees

en

_distinguant

trois zones suivant les

_positions

rela-tives de

_EF,

_{par rapport} aux autres 6tats.

CAS 3.1 Ea

>

_{Ed (Fig. 9).}

Fig. 9. - GaAs

(n = 5 X 1016

cm - 3,

p = 5 x 1 O 16 CM - 3),

cas ou _Ea > _Ed- Modele a deux 6tats _accepteur et donneur discrets. Densit6s _(Na,

_Nd)

et _position des 6tats _(Ea,

_Ed)

permettant d’obtenir _V,. = -

0,7 volt,

_Vsp

= _0,5 volt.

[GaAs (n

= 5 x

1016 cm - 3, p

= 5 x 1016

cm - 3 )

_Ea > _Ed.

Two-state model. Densities _{Na, Nd} and surface

_positions

_Ea, Ed of two discrete _acceptor and donor states needed to _give

V sn = - 0.7 V, V sp = 0.5 V.]

Zone a :

_{Ed Ea}

_EFs.

- Cette

zone

_correspond

a la

_partie

extreme

_gauche

de

_1’abaque.

Les _accepteurs de densite faible

_(N~

1012

cm - 2)

et

_pratiquement

independante

de la

_position

des niveaux sont _presque

completement charges.

Au contraire les donneurs

sont _peu

_charges

et leur densite

_peut

aller de 3 x

1012 cm-’

a

_quelque

1014 CM-2.

Zone b :

_{Ea > Ed}

>

_EFr.

- Ceci

correspond

a la

partie

inferieure de la courbe situ6e en bas de

_1’abaque.

L’occupation

des 6tats est invers6e _par

_rapport

a la

zone

_{(a). Na}

>

1012

cm-2,

_Nd

est faible

_(Nd

2 x

1012

_{CM-2 )}

et _presque

_independant

de

_Ea

et

_Ed.

Zone c :

_Ed

EFS

Ea.

-

Na

>

1012 cm- 2

et

Nd

> 3 x

1012

cm- 2,

_Na

et

_Nd

_augmentent

_lorsque

Ea - Ed

augmente.

11 existe donc une infinite de

possibilites

dont

_l’analyse

doit etre men6e en

Fig. 10.

- GaAs

(n=5x 1016 CM-1,

p = 5 x 1 O 16 cm - 3),

cas ou _{Ea Ed.} Modele a deux 6tats _accepteur et donneur discret. Densite

_{(N 3’}

_{N d)} et

_position

des 6tats

_{(Ea, Ed)}

per-mettant d’obtenir _VSn = -

0,7 volt,

YSp

=

0,5 volt. [Same as for

_figure

9 but with _Ed >

_Ea.]

CAS

_{3.2 Ed}

>

_{Ea (Fig.}

_10).

Zone a :

_{Ea Ed EFr.}

-

L’occupation

des 6tats

est semblable au cas

_(a)

ci-dessus. La _marge des

valeurs

_possibles

de

_Na

6troite est centr6e autour de

1 U 12 CM-2

et

_Nd

> 3 x

1 O 12

cm 3.

Zone b :

_{Ed > Ea >, EFr.}

-

L’occupation

des 6tats

est semblable au cas

(b)

ci-dessus

_Na

> 3

x 1012 cm- 2.

La _marge des valeurs

_possibles

de

_Nd

est

_{etroite ;}

Nd

est de l’ordre de

1012 CM-2.

Zone c :

_Ea

_{EFS Ed.}

- Les deux 6tats

sont

for-tement

_charges

et leurs

_charges

se _compensent.

_Na

et

_Nd

_augmentent avec 1’ecart

_{Ed -}

_Ea.

Les

_{abaques pr6c6dentes}

montrent

_qu’il

existe

th6oriquement

une infinite de

_possibilites

_pour obtenir

les valeurs de

_Vsn

et

_Vsp

_{exp6rimentalement}

d6ter-min6es. On

_peut

_cependant

les reduire et localiser

une fourchette _pour les densit6s et les

_positions

6ner-g6tiques

en

_s’appuyant

sur des donn6es

_{exp6rimentales}

comme l’ordre de

grandeur

du recouvrement ou sur

des

_{hypotheses physiques}

raisonnables. 4. Conclusion.

Partant de resultats

_{experimentaux,}

nous avons en

terme de modele etudie les

_{principales hypotheses}

avanc6es dans la

_{bibliographie}

_{pour les}

_expliquer.

La mod6lisation que nous avons

faite,

les resultats

qu’elle

nous a foumis et les

_{analyses qui}

en decoulent

nous ont

_permis

de

_preciser

en termes de

_charge

des 6tats de

surface,

de

_position

relative des 6tats et du niveau de Fermi en

_surface,

differents mecanismes

pouvant conduire a

_1’ancrage

du niveau de Fermi.

Nous avons

ainsi,

sur

l’exemple

de GaAs et

InP,

montre _que les differences de

_comportement

de ces

materiaux

_{pouvaient s’expliquer}

a l’aide d’un modele

simple

a deux

etats,

modele

_qui

_peut

aussi

_moyennant

1’hypothese

du

_{deplacement energetique}

d’un etat rendre

_compte

de 1’action du recouvrement. La conclu-sion

_globale

est donc _que si des 6tats

_accepteurs

situes au-dessus des donneurs sont n6cessaires _pour

expli-quer

1’ancrage

sur

GaAs,

_{pour InP} les

positions

relatives doivent etre invers6es. Le fait _que sur

InP,

certaines etudes

_{exp6rimentales}

conduisent a des

positions d’ancrage

differentes

_s’explique

alors

sim-plement

par une

_16g6re

difference de densité des etats.

Les differences sensibles entre les _ancrages induits _par differents m6taux

_{s’expliquent}

de la meme

_fagon

en admettant _que le taux de creation de donneurs et des

accepteurs

est lie a la nature du metal et

_peut,

en fonction des conditions

_{experimentales}

de

l’inter-action,

varier autour de la valeur moyenne 1 induisant ainsi des differences dans les

_rapports

Na

suffisantes

Nd

pour faire basculer le niveau de Fermi.

Bibliographie [1] GRANT, R. _{W., WALDROP,} J. R., KOWALCZYK, S. P.,

KRAUT, E. _A., J. Vac. Sci. Technol. 19 ₍₁₉₈₁₎ 477. [2] SPICER, W. E., CHYE, P. W., GARNER, C. M., LINDAU, I.,

PIANETTA, P.,

Surf.

Sci. 86 ₍₁₉₇₉₎ 763.

[3] SPICER, W. _{E., EGLASH, S., LINDAU, I., SU,} C. _Y., SKEATH, P. R., Thin

_{solid films}

89 ₍₁₉₈₂₎ 447. [4] BOLMONT, D., CHEN, P., MERCIER, V., SEBENNE, C. _A.,

Proceeding 16th ICPS Montpellier (1982), Physica 117B et 118B (1983) 816.

[5] PALAU, J. _{M., TESTEMALE, E., ISMAIL, A., LASSABATÈRE,}

L., J. Vac. Sci. Technol. 21 ₍₁₉₈₂₎ 6.

[6] PALAU, J. _{M., ISMAIL, A.,} TESTEMALE, E., LASSABATÈRE,

L., _Proceeding 16th ICPS _{Montpellier (1982),}

Phy-sica 117B et 118B ₍₁₉₈₃₎ 860.

[7] MASSIES, J. M., DEVOLDERE, P., LINH, N. _T., J. Vac. Sci. Technol. 15 ₍₁₉₇₈₎ 1353.

[8] BRILLSON, L. J., Appl. Surf. Sci. _{11/12 (1982)} 249.

[9] TE XIN ZHA O, DANIELS, R., KATNANI, A. D.,

MARGA-RITONDO, G., J. Vac. Sci. Technol. 31 ₍₁₉₈₃₎ 610.

[10] WILLIAMS, R. H., J. Vac. Sci. Technol. 18 ₍₁₉₈₁₎ 929. [11] LUDEKE, R., J. Vac. Sci. Technol. B 1 _{(3) (1983)} 581. [12] PAN, S. H., Mo, D., PETRO, W. G., LINDAU, I. et SPICER,

W. E., J. Vac. Sci. Technol. B 1 (3) (1983) 593. [13] ISMAIL, A., PALAU, J. M., LASSABATÈRE, L., Revue

_Phys.

Appl. 19 ₍₁₉₈₄₎ 205-214.

[14] SKEATH, P., SU, C. Y., HINO, I., LINDAU, I. et SPICER, W. E., Appl.

Phys.

Lett. 39 _{(4) (1981)} 349.

[15]

SZE, R. M.,

Physic

of semiconductor devices _(John

Wiley

and Sons, New York) 1969.

[16]

MANY, A., GOLDSTEIN, Y., GROVER, N. B., Semicon-ductor

_surfaces

_(North Holland Pub. Comp., Ams-terdam) 1965.