STRUCTURE DU SEUIL DE PHOTOÉMISSION ET PROPRIÉTÉS ÉLECTRONIQUES DE SURFACE DU SILICIUM CLIVÉ SOUS ULTRAVIDE

Résumé
La présence d'états électroniques de surface dans la bande interdite d'un semi-conducteur implique deux conséquences principales sur le seuil de photoémission du cristal : les états de surface occupés donnent un courant de photoémission pour des énergies de photons inférieures a l'énergie d'ionisation (distance bande de valence-niveau du vide), la présence d'une charge superficielle entraîne l'existence d'une région de charge d'espace qui modifie la forme, en fonction de l'énergie des photons, du courant de photoémission à partir de la bande de valence. La mesure de ces deux effets nécessite une grande sensibilité en courant et une bonne résolution en énergie pour obtenir une détermination fine et complète du seuil de photoémission. Un montage expérimental a été réalisé qui permet la mesure courant photoémis jusqu'a 10 électrons par seconde et une résolution supérieure au 1/100^e d'électron-volt dans la gamme 3-6,2 eV. Le seuil de photoémission a pu ainsi être déterminé sur une gamme d'échantillons de silicium de différents dopages préparés par clivage sous ultravide. L'effet d'une interaction avec une atmosphère d'oxygène a été également déterminé. Les échantillons fortement dopés de type p permettent la détermination du travail de sortie de la face (111) du silicium, et l'évaluation de la profondeur d'échappement des électrons. Les échantillons dopés de type n permettent une évaluation quantitative de la densité d'états de surface occupés dans la bande interdite : les résultats sont en accord avec ceux d'autres auteurs, obtenus à l'aide de méthodes différentes et montrent l'existence d'autres états de surface en densité plus faible. Ces échantillons permettent également de caractériser la charge d'espace en surface.

Abstract
Electronic surface states in the gap of a semiconductor have two main consequences on the photoemission threshold of the crystal : (i) occupied surface states generate a photoemission current for photon energies lower than the ionization energy, (ii) surface electrostatic charge generates a space charge region which changes the shape of the current photoemitted from the valence band as a function of photon energy. Both effects can be observed by obtaining the detailed structure of photoemission threshold with a high sensitivity current measurement and photon energy resolution. An experimental set-up has been realized allowing a current sensitivity down to 10 electrons per second and an energy resolution lower that 0.01 eV in the 3-6.2 eV range. The photoemission threshold has been obtained on a set of silicon samples with different doping after cleavage under ultrahigh vacuum. The effect of oxygen has been also studied. Highly doped p-type samples allow the determination of (i) the work function of the (111) face of silicon (ii) the escape depth of electrons. n-type samples allow the evaluation of the occupied surface states density in the gap : the results are in agreement with those of other authors, obtained with different methods, and further show the presence of other surface states of lower density. These samples allow the characterization of the surface space charge.