Numéro
J. Phys. France
Volume 45, Numéro 10, octobre 1984
Page(s) 1717 - 1723
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:0198400450100171700
J. Phys. France 45, 1717-1723 (1984)
DOI: 10.1051/jphys:0198400450100171700

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


Abstract
This paper deals with the surface Fermi level pinning on III-V compounds. Recently published experimental 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 analysis 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 N d) 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/N d 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 displacement, 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.


Résumé
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 évolution 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.

PACS
7320A - Surface states, band structure, electron density of states.

Key words
Fermi level -- III V semiconductors -- surface electron states