Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 277-286 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:01990002503027700

Competition between charging and discharging surface reactions as a mechanism for the Fermi-level pinning at semiconductor surfaces

V.A. Kiselev

A.F. loffe Physico-Technical Institute, Academy of Sciences of the U.S.S.R., 194021, Leningrad, U.S.S.R.

Abstract
A new mechanism for the Fermi-level pinning at semiconductor surfaces is proposed. It is based on consideration of electrically active surface chemical reactions which create or destroy the surface charge. Mutual neutralization of the charging and discharging reactions leads to the Fermi-level pinning. The compensation of charge flows is caused by inversion of the conductivity type at the surface. In this case the Fermi-Level is pinned near mid-gap. The normal and anomalous kinetics of surface-barrier formation for adsorption of O, S, Cl, Al, Au, Ag, In, Ga, Mn and Sb on GaAs(110) surface are interpreted in a two-mode chemisorption model.

Résumé
Un nouveau mécanisme de l'accrochage (« pinning ») du niveau de Fermi à la surface des semiconducteurs est proposé. Il est basé sur l'examen de réactions chimiques électriquement actives qui crééent ou détruisent la charge de surface. La neutralisation mutuelle des réactions de charge et décharge conduit à l'accrochage du niveau Fermi. La compensation des écoulements de charges est due à l'inversion du type de conductivité en surface. Dans ce cas le niveau de Fermi est accroché au milieu de la bande interdite. Les cinétiques normales et anormales de formation de barrières de surface lors de l'adsorption de O, S, Cl, Al, Au, Ag, In, Ga, Mn et Sb sur la surface de GaAs (110) sont interprétées suivant deux modes de chimisorption.

PACS
7330 - Surface double layers, Schottky barriers, and work functions.
7320H - Surface impurity and defect levels: energy levels of adsorbed species.
6845D - Adsorption and desorption kinetics: evaporation and condensation.

Key words
Fermi level -- semiconductors -- surface electron states -- charging reactions -- Fermi level pinning -- semiconductor surfaces -- surface chemical reactions -- surface charge -- neutralization -- discharging reactions -- compensation -- inversion -- conductivity type -- kinetics -- surface barrier formation -- adsorption -- GaAs 110 surface -- chemisorption -- O -- S -- Cl -- Al -- Au -- Ag -- In -- Ga -- Mn -- Sb -- GaAs