Summary
Scanning-probe single-electron capaciteit spectroscopie vergemakkelijkt de studie van single-elektron beweging in gelokaliseerde ondergrond regio. Een gevoelige charge-detectieschakeling wordt opgenomen in een cryogene scanning probe microscoop kleine systemen doteringsatomen onderzoeken onder de oppervlakte van halfgeleider monsters.
Abstract
De integratie van lage-temperatuur-aftastsondetechnieken en single-elektron spectroscopie capaciteit vormt een krachtig instrument om de elektronische quantum structuur van kleine systemen te bestuderen - inclusief individuele atomaire doteerstoffen in halfgeleiders. Hier presenteren we een condensator-gebaseerde methode, die bekend staat als Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming, die in staat is het oplossen van een-elektron opladen terwijl het bereiken van voldoende ruimtelijke resolutie foto om individuele atomaire doteermiddelen. Het gebruik van een capacitieve techniek maakt waarneming van ondergrondse kenmerken, zoals doteerstoffen begraven veel nanometer onder het oppervlak van een halfgeleidermateriaal 1,2,3. In principe kan deze techniek worden toegepast op elk systeem elektron beweging onder een isolerend oppervlak lossen.
Zoals in andere elektrisch-veld-gevoelige ingescande probetechnieken 4, de laterale ruimtelijke resolutie van de meting ten dele afhankelijk van de krommingsstraal vane van de sonde. Gebruik tips met een kleine kromtestraal kan inschakelen ruimtelijke resolutie van enkele tientallen nanometers. Deze fijne ruimtelijke resolutie maakt het mogelijk onderzoeken van kleine aantallen (tot een) van de ondergrond doteermiddelen 1,2. De lading resolutie sterk afhankelijk van de gevoeligheid van de lading detectieschakeling, met hoge elektronenmobiliteit-transistoren (HEMT) in dergelijke schakelingen bij cryogene temperaturen kan een gevoeligheid van ongeveer 0,01 elektronen / Hz ½ bij 0,3 K 5.
Introduction
Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming is een lage-temperatuur-methode kunnen oplossen single-electron opladen evenementen. Toegepast op de studie van doteringsmiddelatomen in halfgeleiders, kan de werkwijze detecteren individuele elektronen invoeren donor of acceptor atomen, waardoor de karakterisering van quantumstructuur van deze kleine systemen. Op haar hart, SCA beeldvorming is een lokale capacitieve meting 6 goed geschikt voor cryogene bewerking. Omdat de capaciteit is gebaseerd op elektrisch veld, het is een lange-afstands effect dat kan oplossen opladen onder isolerende oppervlakken 6. Cryogene bediening maakt onderzoek van single-elektron beweging en kwantumniveau spatiëring dat zou worden onoplosbare bij kamertemperatuur 1,2. De techniek kan worden toegepast op elk systeem waarin elektronen beweging onder een isolerend oppervlak belangrijk is, evenals het laden dynamiek in tweedimensionale electronsystemen op begraven interfaces 7, kortheidshalve de focus zal hier liggen op studies van halfgeleider doteermiddelen.
Op het meest schematisch niveau, deze techniek behandelt de gescande tip als een plaat van een parallelle plaat condensator, maar realistische analyse vereist een meer gedetailleerde beschrijving om rekening te houden met de kromming van de punt 8,9. De andere plaat in dit model is een nanoschaal gebied van de onderliggende geleidende laag, zoals getoond in figuur 1. In wezen, zoals een lading voert een doteerstof in reactie op een periodieke excitatie spanning, het dichter bij de punt, deze beweging veroorzaakt meer ladingsbeeld op de punt, die is gedetecteerd door de sensor circuit 5. Evenzo, als de lading verlaat de dotering, wordt het beeld lading op het puntje afgenomen. Vandaar het periodiek opladen in responsie op de excitatie spanning het gedetecteerde signaal - in wezen het capacitieve, dus deze meting wordt vaak aangeduid als bepalend voor de CV kenmerken van het systeem.
tent "> Tijdens de capacitieve meting, de enige netto-tunneling is tussen de onderliggende geleidende laag en de dotering laag -. lading nooit tunnels direct op het puntje Het ontbreken van directe tunneling van of naar de punt tijdens de meting is een belangrijk verschil tussen deze techniek en de meer bekende scanning tunneling microscopie, hoewel veel van de hardware voor dit systeem in wezen gelijk aan die van een scanning tunneling microscoop. Het is ook belangrijk op te merken dat SCA beeldvorming niet direct gevoelig zijn voor statische elektriciteit. Voor onderzoeken van statische lading distributies, scanning Kelvin probe microscopie of elektrostatische kracht microscopie is passend Extra cryogene methoden voor de behandeling van lokale elektronische gedrag bestaan die ook goede elektronische en ruimtelijke resolutie;. bijvoorbeeld scanning single-electron transistor microscopie is een andere scanning probe methode voor het opsporen minuten opladen effecten 4,10. SCA beeldvorming was oorspronkelijkontwikkeld aan het MIT door Tessmer, Glicofridis, Ashoori, en collega's 7 en bovendien, kan de hier beschreven methode worden beschouwd als een scanning probe versie van de Single-Electron Capaciteit Spectroscopy methode is ontwikkeld door Ashoori en collega's 11. Een belangrijk element van de meting is een uiterst gevoelig lading-detectie circuit 5,12 met behulp van high electron transistoren (HEMT), maar het kan een geluidsniveau zo laag als 0,01 elektronen / Hz bereiken ½ op 0,3 K, de basistemperatuur van de cryostaat in referentie 5. Een dergelijk hoge gevoeligheid maakt observatie van single-electron opladen in ondergrondse systemen. Deze methode is geschikt voor de studie van elektron of gat dynamica van individuele of kleine groepen toeslagstoffen in halfgeleiders, met typische doteringsmiddel oppervlaktedichtheid in de orde van 10 15 m -2 in een vlak geometrie 2. Een voorbeeld van een typisch voorbeeld configuratie voor dergelijke experimenten wordt getoond in Figuur 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOL
- Initiële setup van de microscoop en elektronica
- Begin met een cryogene-staat scanning probe microscoop met bijbehorende besturingselektronica. De microscopen gebruikt voor het onderzoek beschreven hier gebruiken inertie vertaling "om te lopen" het monster naar en weg van de punt langs opritten 13 (gemaakt van een geleidend materiaal zoals koper, messing of roestvrij staal in staat te stellen bias spanning doorgeven aan de monster) als onderdeel van een Besocke ontwerp STM 14, schematisch weergegeven in figuur 2.
- Naast de voorspanning en tunnelstroom coaxiale draad ten minste twee coaxiale kabels en een aarddraad die zich vanaf de elektronica rek dichtbij het uiteinde deel van de microscoop om de cryogene versterkerschakeling hanteert voor gevoelige ladingdetectiecircuit. Monteer de elementen van de versterkerschakeling in detail beschreven in referenties 5, 12 en 15, die zijn ondergebracht op de electronics rack, dit is het gedeelte van de schakeling buiten de gearceerde box in figuur 2. Dit deel van het circuit bij kamertemperatuur gedurende het experiment blijft.
- Monteer de montage chip voor de tip en HEMT circuit (gearceerde box in figuur 2), de HEMT circuit wordt verlaagd tot cryogene temperatuur optimale energieresolutie verkrijgen.
- Cleave een vierkante chip sized ongeveer 1 cm x 1 cm van een GaAs-wafer met behulp van een schrijver, de sensor circuit en de tip zal op deze chip gemonteerd worden. Borg circa 100 nm van goud boven op een titanium steken laag door een schaduwmasker op de GaAs chip om meerdere goud pads, elk formaat ongeveer 1 mm x 1 mm, waaraan draden van de HEMT en vertekenende weerstand zal worden gebonden vormen. De afmetingen van de elektroden zijn niet kritisch.
- Bereid een scherpe STM tip door het mechanisch snijden van een 80:20 Pt: Ir draad met zijkniptang. De tip kan ook worden bereid door chemisch etsen or een andere methode of commercieel kunnen worden gekocht. Bepaal de kromtestraal van de punt via scanning elektronenmicroscopie de kromtestraal moet in de orde van de ruimtelijke resolutie die nodig is voor het experiment.
- Epoxy een gouden draad op elk van de goldpads met geleidende epoxy bestand tegen cryogene temperaturen, deze draden worden de elementen van de schakeling aangesloten op de chip montage op de coaxiale kabels op de microscoop. Aangezien de gouden draden gemakkelijk kan worden verwijderd na de volgende stap als ze niet nodig zijn, epoxy enkele redundante gouddraadjes op de pads. Epoxy de HEMT, de vertekenende weerstand, en de STM-tip op het GaAs montage chip. Cure de epoxy zoals vermeld op het produkt informatie blad. (Zie de tabel van materialen hieronder voor details.)
- Gebruik van een draad bonder geladen met gouddraad, bond de bron, drain en gate elementen van de HEMT om goud pads scheiden op de GaAs-chip. Bond tijdelijke draden aansluiten van de gate en source or drain pads aan de gate waarborgen niet worden geladen ten opzichte van de source-drain channel. Gebruik een aardingsbandje voor extra veiligheid tijdens het manipuleren van de HEMT, is het belangrijk om voorzorgsmaatregelen te nemen om te voorkomen dat er verdwaalde statische ladingen die de HEMT zou kunnen vernietigen.
- Bewaar de voorbereide montage chip de draden die aan de gate en de source-drain kanaal van de HEMT elektrisch met elkaar om kortsluiting te voorkomen de HEMT. Indien de tijdelijke draden in de vorige stap vermeld zijn verwijderd, voorzichtig draai de draden samen. Het eenvoudigst is alle draden elkaar verbinden.
- Bevestig de montage chip aan de microscoop.
- Zorg ervoor dat de gate en source-drain kanalen zijn nooit drijvende, dit is om destructieve korte broek tussen de gate en de source-drain kanalen van de HEMT voorkomen. Aard de coaxiale kabels op de microscoop waarop de draden van de chip wordt gesoldeerd.
- Bevestig de montage chip boven op tHij piezotube scannen, zoals getoond in figuur 2.
- Soldeer de gouden draden uitstrekt van de montage-chip aan de pertinente coaxiale kabels met indiumsoldeer.
- Controleer de integriteit van het HEMT de curve tracer aangesloten op de coaxiale draden aan de elektronica rack. Wezen, de curve tracer toont de source-drain stroom-spanning karakteristieken. De meest voorkomende fout komt een kortsluiting tussen de HEMT gate en source-drain channel, waardoor source-drain kenmerken die ongevoelig gate spanning zijn.
- Monteer het monster. Lopen in bereik met de microscoop geconfigureerd in STM-modus om ervoor te zorgen dat het monster met succes de tip zal benaderen.
- Verbind draad T om de voorversterker gebruikt voor STM tunneling stroommetingen en bevestig DC bias spanning V DC op de draad van B. (Alle aansluitingen worden gemaakt op de elektronica rek.)
- Wandeling in totdat het monster en tip zijn in tunneling bereik. Toen in raNSE, het scannen piezotube moet iets verlengd van zijn evenwichtspositie, zodat de aarding van de scanning piezotube zal de tip terug te trekken uit de in-range toestel blijft. Dit bevestigt dat het monster met succes de tip kan benaderen. Loop buiten bereik na dit te doen, om de punt te beschermen tijdens de volgende handelingen.
- Breng de microscoop van het laboratorium benchtop aan de dewar voor een eventuele lage-temperatuur-operatie. Op dit punt, de test beëindigd is en de experimentele fase kan beginnen.
- Pomp uit de microscoop om een vacuüm van enkele microtorr. Koel de microscoop tot 4,2 K of hieronder voor een optimale resolutie van energie, volgens de in de handleiding van de cryostaat procedure.
- Na afkoelen van de microscoop zijn referentietemperatuur, zodat de microscoop voldoende tijd om thermisch evenwicht te bereiken, aangezien herhaalde, langdurige scans van hetzelfde gebied worden uitgevoerd, is het belangrijk om thermische drift minimaliseren. (Drift iseen verschuiving in de evenwichtspositie van de tip ten opzichte van het monster.)
- Suspendeer de dewar de microscoop zoveel mogelijk van trillingen ten gevolge van mechanische koppeling aan het gebouw en vacuümpompen en andere apparaten die op de microscoop en Dewar isoleren. Dit kan worden uitgevoerd met een bungeekoord ophangsysteem, zoals in referentievoorbeeld 15, of met luchtveren of een soortgelijke methode.
- Na afkoeling van de microscoop en voordat u het verzamelen van gegevens, controleert de integriteit van de HEMT opnieuw met de curve tracer.
- Scan de monster in tunneling modus (STM).
- Lopen in bereik. Zoek een regio van het monster oppervlak dat vrij is van puin en van aanzienlijke hoogte of geleidbaarheid variaties, en zorgen voor de tip is stabiel.
- Corrigeren voor eventuele scheefstand van het monster, dit is vooral belangrijk omdat de capaciteit scans zullen worden uitgevoerd met de feedback loop uitgeschakeld, dus de tip kon vastlopen in het oppervlak als de scanning vliegtuig is niet parallel aan het oppervlak van het monster. In principe zou men de capaciteitsignaal gebruiken feedback om een constante capaciteit te behouden tijdens het scannen van de tip, maar in de praktijk, het signaal niet voldoende robuust om een botsing te voorkomen als de terugkoppeling wordt toegepast.
- Neem elke thermische drift, zodat het kan worden gecompenseerd door het herpositioneren van de tip offset. Let op de hoeveelheid uitbreiding van de punt, terwijl het bereik in de tunnelbouw-modus, om in dit protocol als de aanraking punt.
- Ga naar een ongestoorde oppervlakte van het monster, een die niet werd gescand in STM-modus.
- Schakel de terugkoppeling in de STM-controller. Bedenk dat wanneer de feedback loop is uitgeschakeld, manuele bewegingen van de tip kan onbedoeld leiden tot een crash. Grote zorgvuldigheid moeten worden genomen tijdens het verplaatsen van de tip.
- Trek de tip van een paar tientallen nanometers van het touch point.
- Compensatie van de laterale positie van de tip naar een nabijgelegen gebied van het monster which niet onlangs is gescand, om eventuele verstoringen (bijvoorbeeld het opladen van halfgeleider-dotering sites) de voorspanning aan de hand waarvan tunnelen door het halfgeleidende monster voor STM scanning kan hebben veroorzaakt te vermijden.
- De punt in de richting van het oppervlak voorzichtig te verlengen tot het topje verplaatsing van evenwicht extensie is dicht in magnitude aanvoelt punt.
- Overschakelen bedradingsconfiguratie aan capaciteit modus.
- Aard alle coax kabels naar de HEMT beschermen.
- Sluit de coaxiale bedrading van de relevante spanningsbronnen en weerstanden en de lock-in versterker en de functiegenerator, zoals weergegeven in figuur 2.
- Schakel alle spanningsbronnen. Om te voorkomen dat schokkende de HEMT, beginnen spanningsbron uitgangen op 0 V.
- Ongemalen de coaxiale kabels, herinneren aan de gate en de source-drain kanaal van de HEMT om de HEMT bescherming aan elkaar zo lang mogelijk te houden.
- Stel de voltage bron op de spanningsdeler weerstand (draad D).
- Stem de HEMT op haar meest gevoelige regio door het bewaken van de spanning over draad L met een multimeter tijdens het instellen van V tune. Daarna weer vast draad L aan de lock-in versterker.
- Verhoging V tune tot in-fase signaal op de lock-in versterker toeneemt en begint plateau staat deze waarde V tune, dat de spanning op de tip. Hierdoor kunnen alle kosten van de meting naar de HEMT plaats van lekken via draad L.
- Het optimaliseren van de interne fase van de lock-in versterker met haar Autophase vermogen en opnemen van de fasewaarde.
- Wachten op de HEMT te stabiliseren om te zorgen dat er geen significante thermische effecten (dit duurt vaak tot twee uur).
- De balans van de HEMT door het aanpassen van het signaal van de standaard condensator zodat alleen de van belang zijnde signaal gaat naar de lock-in versterker. Aanpassingen van het signaal op destandaard condensator kan hetzij de amplitude V van evenwicht of de relatieve fase tussen V en V evenwicht excitatie. De HEMT wordt evenwicht geacht wanneer de in-fase signaal op de lock-in versterker geminimaliseerd in deze stap van de procedure.
- Voer scannen oplading beeldvorming.
- Stel de DC bias spanning V DC op het monster.
- Verleng de tip om binnen 1 nm van het oppervlak, met behulp van het touch punt als referentiepunt.
- Noteer de uitgang van de lock-in versterker met het data acquisitie software, is het signaal van belang.
- Scan de steekproef. Om een goede resolutie te verkrijgen, kan de scans moeten worden verworven op het tarief van enkele uren per scan om voldoende signaalmiddeling voor elke pixel mogelijk te maken en smeren van de signaal over aangrenzende pixels van het beeld te voorkomen. Meerder scans over hetzelfde gebied en gemiddeld deze scans samen om de signaal-ruisverhouding te verbeteren.
- Voer capacitieve (CV) spectroscopie met de punt stilstaat boven een ondergrondse kenmerk van belang in het beeld accumulatie lading tijdens de vorige stap opgedaan.
- Ramp V DC en noteer de uitgang van de lock-in versterker met het data acquisitie software.
- Neem verschillende capaciteit versus voltage (CV) krommen op dezelfde locatie en gemiddeld deze krommen samen om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Gewoonlijk worden een paar bochten samen gemiddeld. Terwijl de gemiddelde krommen de signaal-ruisverhouding, vanwege de kans op drift tijdens scans, alleen enkele opeenvolgende scans elkaar worden gemiddeld.
- Terug naar tunneling modus (STM).
- Trek de tip om haar evenwicht uitbreiding en opnieuw configureren van de elektronica voor STM. Opnieuw inschakelen van de terugkoppeling en noteer de huidige in-range uitbreiding van de punt (contactpunt).
- Scant het gebied tunneling modus om te zoeken naar functies in de topografie die artefacten kunnen hebben gegenereerd in de capaciteit beeldvorming en capaciteit spectroscopie.
- Analyseren en interpreteren van data, na Reference 9 en de ondersteunende informatie in referentie 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De belangrijkste indicator voor een succesvolle meting is reproduceerbaarheid, zoveel als in andere scanning probe methodes. Herhaalde metingen zijn zeer belangrijk om deze reden. Voor punt capacitieve spectroscopie, waarbij vele metingen achter elkaar op dezelfde plaats helpt om de signaal-ruisverhouding te verhogen en identificeren stoorsignalen.
Zodra een eigenschap van belang is geïdentificeerd binnen het imago van de lading accumulatie en capaciteit spectroscopie is uitgevoerd, de interpretatie van de CV gegevens begint met het bepalen van de spanning hefarm. De spanning hefboomarm de schaalfactor over de werkelijke spanning op de plaats van het doteringsmiddel naar de toegepaste V DC. Het is goed wezen voor de nul afstand van de tip van de dotering laag en voor zijwaartse verplaatsing van de dotering van de positie direct onder de tip. De spanning hefboomarm wordt gevonden door het aanbrengen van een Lorentz-functie om de CV spectroscopie data 1,8 </ Sup>. Als een absolute spanning schaal gewenst is, moet het contact potentiaal (spanning waarbij geen elektrische veldlijnen van het monster te beëindigen op de punt) worden bepaald via een Kelvin sonde meet 1,2,3,7.
Figuur 3 (a) toont een voorbeeld van een lading afbeelding accumulatie met CV spectroscopie verworven op het aangegeven punt. Het monster was silicium gedoteerd met boor-acceptoren met een oppervlaktegewicht van 1,7 x 10 15 m -2 in een delta-gedoteerde laag 15 nm onder het oppervlak. Helderdere kleuren aangeven toegenomen opladen. De lichtpunten worden geïnterpreteerd als markering van de ligging van de verschillende ondergrond booratomen. De blauwe stip geeft een bepaalde lichtpunt wanneer bijzondere CV spectroscopie werd uitgevoerd 1, zoals getoond in figuur 3 (b). De grootste piek wordt geïnterpreteerd kosten voor het invoeren van de dotering direct onder de tip. Nabijgelegen pieken zijn te wijten aan nabijgelegen doteermiddelen. Hun centra worden verschoven en amplitudes detoegenomen ten opzichte van de hoofdpiek omdat de grotere afstand van deze toevoegsels uit de punt verandert hun hefboomarm parameters. De pieken worden verruimd de spanning-as hoofdzakelijk vier effecten: (1) de hefboomarm (2) thermische verbreding, (3) de amplitude van de excitatie spanning, en (4) het uitgangsfilter van de lock-in versterker. Deze effecten worden verantwoord in het model, zoals blijkt uit de goede overeenkomst tussen de overlay model curve 1 en de data.
Figuur 4 (a) toont een reeks laden pieken, vergelijkbaar met figuur 3 (b). In dit geval werd het monster GaAs, gedoteerd met silicium donors met een oppervlaktedichtheid van 1,25 x 10 16 m -2 in een delta-gedoteerde laag 60 nm onder het oppervlak. Door de hoge doteringsmiddeldichtheid de meeste spectroscopische eigenschappen van dit experiment geven groepen vele elektronen. Pieken worden geïdentificeerd door het aanbrengen, interpretatie van een piek als toe te schrijven aan een zingenle elektronen afkomstig van de consistente vorm en grootte met de verwachte vorm van een enkel elektron-piek. Een handvol single-electron pieken werden gescheiden in dit experiment 2, waarvan wordt aangegeven door de rode pijl. Figuur 4 (b) en 4 (c) gericht op deze piek, waaruit blijkt dat het de verwachte vorm voor een- elektron effect. De pasvorm in figuur 4 (c) is een halve ellips 16 convolved met functies die goed is voor de piek-verbreding effecten zoals hierboven beschreven. Deze fit heeft twee vrije parameters: het centrum van de piek en de hefarm. De drie CV krommen in figuur 4 (b) zijn opeenvolgende spectroscopie metingen aan dezelfde functie. De hoeveelheid verstrooiing in de gegevens in figuur 4 (b) is typerend; gemiddeld aantal krommen elkaar zoals in figuur 4 (a), resulteert in gemakkelijker identificeerbare piek structuur, die daarom doet meerdere CV bochten op deDezelfde functie is zeer belangrijk voor het verbeteren van de signaal-ruisverhouding.
Figuur 1. Schematische voorstelling van een typisch voorbeeld. Schematische voorstelling van een typische monster voor scanning-probe single-electron capaciteit experimenten. Het monster is een halfgeleider met een onderliggende geleidende laag op een bekende diepte van het oppervlak waarop de vertekening en excitatie voltages toegepast. Een twee-dimensionale laag toeslagstoffen is ingebed, ook op een bekende diepte vanaf het oppervlak. Elektronen tunnel tussen de geleidende laag en het doteringsmiddel laag, het veranderen van de capaciteit van het systeem en het induceren van een ladingsbeeld op de tip die wordt gemeten door de lading-gevoelige inrichting. Een voldoende hoge voorspanning zullen elektronen in staat te stellen tunnel tussen de dotering laag en een oppervlak staat als goed, enabling de detectie aan de oppervlakte met een STM.
Figuur 2. Schematische voorstelling van microscoop en Charge-sensing Apparatus. Schakelschema voor de beschreven in referentie 5 en gebaseerd op Reference 12 versterker. Montage chip wordt gegeven in plaats van een schema van een Besocke-ontwerp 14 scanning probe microscoop met hellingen 13 en monster (niet op schaal). Draad B levert de steekproef bias spanning, waaronder de AC excitatiespanning gebruikt om aanzetten tunneling van en naar ondergrondse doteermiddelen. Wire C is verbonden met de standaard en de afstembare condensator AC spanningsbron afweging van de HEMT toelaat. Wire L verbindt de lock-in versterker waarvan de capaciteit is opgetekend en draad D aangesloten op een spanningsbron via een weerstand av creërenoltage divider, de uitgang van de spanningsdeler is het signaal naar de lock-in versterker. Tijdens capaciteitsmetingen, wordt draad T aangesloten op een regelbare spanningsbron via een grote weerstand om AC lading te voorkomen dat op het puntje van lekkende neer deze route. In tunneling (STM)-modus, draad T wordt de tunnelstroom draad (met zijn spanningsbron losgekoppeld), draad B blijft aangesloten op een gelijkspanningsbron, en alle andere kabels zijn geaard. Een typische keuze voor de spanningsdeler verzet draad D 100 kOhm met een spanning op draad D van 1,25 V. De keuze van standaard capaciteit moet de achtergronduiteinde-sample wederzijdse capaciteit, die ongeveer 20 fF tegengaan. De vertekenende weerstand op draad T moet worden in de buurt van 20 MQ. Deze keuzes hebben tot doel de weerstand van de HEMT source-afvoergoot voor haar meest gevoelige regeling af te stemmen.
"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Figuur 3. SCA Beeld en CV Spectroscopy on acceptor gedoteerd Si (a) Scanning ladingsopeenhoping beeld van een silicium gedoteerd met een laag borium acceptoren oppervlaktegewicht van 1,7 x 10 15 m -2 gelegen 15 nm onder het oppervlak 1;. V DC = 75 mV, V excitatie = 3,7 mV, de temperatuur was 4,2 K. (b) CV spectroscopie verworven op het punt in (a) aangegeven door de blauwe stip. Te richten op de piek structuur, werd een achtergrond lijn afgetrokken. De spanningsschaal is verschoven zodat nul is het centrum van de grootste piek, aangezien geen Kelvin probe meten tijdens dit experiment de absolute spanningsschaal bepalen gedaan, dit offset is een kwestie van gemak.
load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Figuur 4. . CV Spectroscopy analyse over Donor-gedoteerde GaAs (a) CV spectroscopie verkregen op GaAs, gedoteerd met een laag silicium donors oppervlaktegewicht van 1,25 x 10 16 m -2 gelegen 60 nm onder het oppervlak 2, V excitatie = 15 mV, de temperatuur was 0,3 K. De rode pijl markeert een piek die verder onderzocht (b) verdere afzonderlijke CV spectroscopie metingen van de aangegeven piek in (a) met de spanning gecentreerd op de piek,.. V excitatie = 3,8 mV (c) gemiddelde gegevens van de verschillende curves getoond in (b). De pasvorm, getoond in groen, vertegenwoordigt vier effecten dat de piek verbreden: de hefboomarm, thermische uitbreiding, de amplitude van de excitatie spanning en het uitgangsfilter van de lock-in versterker. In (b) en (c) (a), de conversie naar een capaciteitswaarde via C = AQ tip / V excitatie niet heeft plaatsgevonden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een gedetailleerde uitleg van de theoretische basis voor deze experimentele methode gegeven in de referenties 8 en 9 en besproken met betrekking tot het scenario van ondergrondse toeslagstoffen in referentie 2, het overzicht hier gepresenteerde derhalve kort en conceptuele. De tip wordt behandeld als een plaat van een condensator, en de geleidende laag ten grondslag liggen aan het monster bestaat uit de andere plaat. Wanneer de DC spanning zodanig dat elektronen worden getrokken naar de punt, en als er een doteringsatoom gelegen tussen de onderliggende geleidende laag en de tip die plaats een toeslag, dan de electron het doteringsmiddel voeren en dus dichter bij de tip. Van elektrostatica, moet de beweging van deze elektron een beeld lading van het andere teken op het puntje induceren. De sinusvormige excitatie spanning (V excitatie) die wordt opgeteld in de gelijkspanning zal de elektron resoneren tussen de substraatlaag en het doteringsmiddel. Op zijn beurt, de afbeelding laadt will ook resoneren, waardoor een AC-signaal dat wordt gedetecteerd door de gevoelige lading-detectieschakeling gebruik de HEMT en verder geamplificeerd met een lock-in versterker. Deze lading signaal kan worden omgezet in een condensator.
De meest voorkomende failure mode van dit experiment betreft schade aan de HEMT circuit dat de gevoelige lading detectie mogelijk maakt. Sinds de HEMT gate zo klein is, kan zelfs een kleine statische lading opbouw van een mislukking van de HEMT veroorzaken, meestal in de vorm van een korte tussen de source-drain kanaal en de poort. Als een HEMT is kortgesloten, kan de single-elektron capaciteitsmeting niet verder zonder deze te vervangen. Aangezien een aanzienlijke hoeveelheid tijd doorgebracht in het algemeen het bereiden experiment, met name bij het afkoelen de microscoop naar de basis temperatuur, HEMT gebruikt voor deze experimenten worden beschermd door ervoor te zorgen dat de gate en source-drain kanalen nooit zwevend, hetzij door verbinding deze leidt tot elkaar (when het werken met de kleine gouden draden op de chip) zetten of door ze (bij het werken met de coaxiale kabel aansluitingen). Extra voorzorgsmaatregelen kunnen worden genomen door het dragen van een aardingsbandje bij omgang met het monteren van chip of de microscoop hardware, vooral bij droog weer, zo zelfs lichte statische lading van persoon de experimentator kan een HEMT verpesten hetzij door regelrechte kortsluiting het of door het te laten kosten val zodanig dat het nooit helemaal stabiliseert. Bij twijfel over de gezondheid van de HEMT, moet men een curve tracer gebruiken om te zoeken naar de verwachte variaties in de source-drain eigenschappen met toegepaste gate-spanning (vaak de "fan").
De afmetingen van de goldpads van de bevestigingsbeugel chip niet van groot belang, mits ze groot genoeg zijn om succesvolle wire bonding mogelijk, maar veel kleiner dan een millimeter te voorkomen koppeling overtollige capaciteit van de schakeling. Voordat u de HEMT of tip, kan het nuttig zijn om een test obligatie elsew doenhier de montage chip te testen hoe goed hechting kan worden verwacht dat ze die chip. Waaronder een paar extra gouden pads op de montage-chip kan ook nuttig zijn in het geval een deel van de chip is meer vatbaar voor bonding dan andere regio's op de chip. Als de hechting proces lijkt te trekken van stalen van het goud af van het pad, de GaAs-chip misschien niet voldoende schoon zijn voordat de metalen lagen werden of vastgelegd het goud kan verslechterd met de leeftijd. Aflopend het ultrasone vermogen dat op de draad bonder kunnen in dit geval.
Indiumsoldeer wordt gebruikt om de gouden draden hechten aan de coaxiale kabels vanwege de goede eigenschappen bij cryogene temperaturen. Evenzo wordt GaAs gebruikt als materiaal voor de montage chip te vermijden dat een thermisch krimp-geïnduceerde spanning in de HEMT, die zelf gefabriceerd op een GaAs-substraat. Aangezien GaAs is een piëzo-elektrisch materiaal, kan een mechanische spanning op het substraat een korte en daaruit voortvloeiende niet de oorzaakHEMT.
Voor de halfgeleiders in de experimenten in de referenties 1 en 2, kan het monsteroppervlak worden afgebeeld door het systeem als een STM. Dat wil zeggen, kunnen elektronen inderdaad tunnel direct op de punt als het apparaat is geconfigureerd in STM-modus. Dit is erg handig omdat het een manier is om de punt dicht bij het monster te brengen zonder te crashen de punt in het oppervlak. Een voorspanning in de orde van enkele tot enkele volts nodig is om een stabiele tunnelstroom stellen. Met een voldoende hoge voorspanning, wordt de rekening van de onderliggende geleidende laag worden getrokken over de isolerende gebieden van het monster op een geleidende plas vormen lading aan het oppervlak, dit plas de tip volgen als de tip is gescand. Derhalve kan het oppervlak worden afgebeeld zoals in standaard STM. Tunneling modus kan elektronische schade voor volgende metingen veroorzaken. Zo bestaat de mogelijkheid om het monster wordt beïnvloed door de grote voorspanning spanningen moeten image een halfgeleidende monster in tunneling modus, eventueel induceren van voorbijgaande opladen van de buurt-oppervlak gebreken. Om dit op te lossen, kan een grote spanning te verwijderen en offset de tip naar een gebied een paar honderd nanometers afstand (gewoonlijk zonder het gebruik van terugkoppeling), zoals beschreven in het protocol. Alternatief, kan de aanwezigheid van schade aan het monster worden gedetecteerd door het uitvoeren CV spectroscopie of door het doen van een meting Kelvin probe 2.
De geometrie van het experiment houdt bepaalde kenmerken worden nagestreefd bij de ontwikkeling van het monster. Lokalisatie van het doteringsmiddel laag in de richting van tunneling is belangrijk omdat een te dikke laag zal dubbelzinnigheid doteerstof aan de bepaling van de hefboomarm. Met andere woorden, de dikte van het doteringsmiddel laag zo dicht mogelijk bij een atomaire vlak. Deze opstelling wordt aangeduid als "delta doping." Bijvoorbeeld, in het experiment in referentie 1, het doteringsmiddel laag ongeveer 2 nanommeters dik.
Succesvolle ladingsaccumulatietijd beeldvorming scans gedaan om capacitieve eigenschappen van belang te lokaliseren kan een aanzienlijke hoeveelheid tijd in beslag nemen, soms in de orde van enkele uren. Voor snelheid scannen, moet elke pixel van het beeld een bepaalde tijd vergelijkbaar aantal periodes van V excitatie nemen en het uitgangsfilter van de lock-in versterker moet worden ingesteld op ongeveer dezelfde waarde als de tijd per pixel. Drift in de microscoop, die niet merkbaar in de loop van enkele minuten STM scan was kunnen bijdragen tot versmering van de hoofdzaak langere duur oplading afbeeldingen.
Dezelfde tip gebruikt voor tunneling en voor capacitieve experimenten zal een andere effectieve vorm te wijten aan de afstand afhankelijkheid van de respectievelijke mechanismen voor de meting. Omdat tunneling is exponentieel afhankelijk van afstand, een goede benadering, zal slechts een enkele tip atoom ontvangt het grootste deel van de huidige. Vandaar the vorm van de tip op nanometer schaal meestal onbelangrijk, zolang de apex mechanisch stabiel. In SCA beeldvorming daarentegen de waargenomen op de tip heffing door capacitieve, grofweg is omgekeerd evenredig met de afstand en hogere delen van de tip kan een aanzienlijk deel van het signaal daadwerkelijk ontvangt. Dit betekent dat de nanometerschaal kromtestraal van de punt relevant voor de condensator meettechnieken is. Om de amplitude van het signaal te maximaliseren zonder afbreuk ruimtelijke resolutie de neusradius ongeveer gelijk zijn aan de diepte van het doteringsmiddel laag onder het oppervlak 8,9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Het onderzoek hier besproken werd gesteund door de Universiteit van de Staat Instituut van Michigan voor Quantum Sciences en de National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, en DMR-0605801. KW erkent steun van een Amerikaanse ministerie van Onderwijs GAANN Interdisciplinair Bioelectronics Training Program fellowship.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Besocke-design STM | Custom | References 14 and 15 | |
| Control electronics for STM | RHK Technology | SPM 1000 Revision 7 | |
| Lock-in amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
| Curve tracer | Tektronix | Type 576 | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS360 | |
| Multimeter | Tektronix | DMM912 | |
| Wire bonder | WEST·BOND | 7476D | with K~1200D temperature controller |
| Soldering iron | MPJA | 301-A | |
| Cryostat | Oxford Instruments | Heliox | |
| Material | |||
| Pt/Ir wire, 80:20 | nanoScience Instruments | 201100 | |
| GaAs wafer | axt | S-I | For the mounting chip |
| 99.99% Au wire, 2 mil diameter | SPM | For the mounting chip | |
| 99.99% Au wire, 1 mil diameter | K&S | For wire bonding | |
| Indium shot | Alfa Aesar | 11026 | |
| Silver epoxy | Epo-Tek | EJ2189-LV | Any low-temperature-compatible conductive epoxy is acceptable |
| HEMT | Fujitsu | Low Noise HEMT | |
References
- Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon. Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).
- Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules. Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules. Physica B. 403, 3774-3780 (2008).
- Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges. Science. 276, 579-582 (1997).
- Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).
- Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale. Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).
- Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid. Nature. 392, 51-54 (1998).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes. Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).
- Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape. Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).
- Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).
- Ashoori, R. C.
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box. Physica B. 189, 117-124 (1993).
- Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope. Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).
- Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).
- Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. High-scan-range cryogenic scanning probe microscope. Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels. Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).
