Summary
Сканирующего зонда одноэлектронными емкостной спектроскопии облегчает изучение одного движения электронов в локализованных подземных регионах. Чувствительный заряда схема обнаружения включена в криогенных сканирующий зондовый микроскоп для исследования небольших системах атомов легирующей примеси под поверхностью полупроводникового образцов.
Abstract
Интеграция низкотемпературной техники сканирующего зонда и одноэлектронного емкостной спектроскопии представляет собой мощное средство для изучения электронной структуры квантовых малых систем - в том числе отдельных атомных примесей в полупроводниках. Здесь представлены емкость на основе метода, известного как подземных накопления заряда (SCA) изображений, которые способны решить одноэлектронной зарядки при достижении достаточной пространственное разрешение на изображение отдельных атомных примесей. Использование емкости метод позволяет наблюдать подземных функций, таких как легирующие примеси похоронены многие нанометров под поверхностью полупроводникового материала 1,2,3. В принципе, этот метод может быть применен к любой системе для разрешения движения электронов ниже изолирующей поверхности.
Как и в других электрических полей чувствительных отсканированного-зонд методы 4, боковые пространственное разрешение измерения зависит частично от радиуса curvaturе зонда. Используя подсказки с малым радиусом кривизны может включить пространственным разрешением в несколько десятков нанометров. Это прекрасное пространственное разрешение позволяет исследования малых чисел (вплоть до одного) подземных 1,2 примесей. Разрешение Зарядка во многом зависит от чувствительности схемы обнаружения заряда; использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT) в таких цепях при криогенных температурах позволяет чувствительность около 0,01 электрон / Гц ½ при 0,3 K 5.
Introduction
Подземные накопления заряда (SCA) изображений является низкотемпературный способ способны решить одноэлектронной зарядки событий. При нанесении на изучение атомов легирующей примеси в полупроводниках, метод может обнаружить отдельные электронов, входящих донорных или акцепторных атомов, что позволяет характеристику квантовой структуры этих систем минуту. По сути, SCA изображений является локальное измерение емкости 6 хорошо подходит для криогенного операции. Поскольку емкости основано на электрическом поле, это эффект дальнодействия, которые могут разрешить зарядку под изолирующие поверхности 6. Криогенные операция позволяет исследовать одного движения электрона и квантовой расстояние между уровнями, которые были бы неразрешимы при комнатной температуре 1,2. Этот метод может быть применен к любой системе, в которой движение электронов ниже изолирующей поверхности имеет важное значение, в том числе зарядки динамика в двумерных электронных системах при похоронен интерфейсы 7; для краткости акцент здесь будет сделан на исследованиях полупроводниковых примесей.
На самом схематическом уровне, этот метод обрабатывает отсканированные наконечник как одна пластина плоского конденсатора, хотя реалистичный анализ требует более подробного описания для учета кривизны вершины 8,9. Другой пластины в этой модели наноразмерных область основной проводящий слой, как показано на рисунке 1. По существу, как заряд поступает легирующей примеси в ответ на периодические напряжения возбуждения, становится ближе к кончику; это движение вызывает больше изображение заряда на наконечник, который обнаруживается с помощью датчика схеме 5. Кроме того, как заряд выходит легирующей примеси, изображение заряда на кончике уменьшается. Таким образом, периодический сигнал зарядки в ответ на напряжение возбуждения является обнаруженный сигнал - по существу это емкость, таким образом, это измерение часто упоминается как определение CV характеристик системы.
палатка "> Во время измерения емкости, только чистая туннелирование между основными проводящим слоем и слоем легирующей примеси -. заряда никогда туннелей прямо на кончике отсутствие прямого туннелирования или от кончика во время измерения важное различие между этим техники и более знакомые сканирующей туннельной микроскопии, хотя большая часть аппаратных средств для этой системы является по существу идентичной помощью сканирующего туннельного микроскопа. Важно также отметить, что SCA изображений непосредственно не чувствительны к статического электричества. Для исследования статического заряда распределений, сканирование Метод Зонда Кельвина или электростатическими силовой микроскопии является соответствующее дополнительное криогенных методы изучения местных электронных поведения существуют, которые также имеют хорошие электронного и пространственного разрешения;. Например, проверка одноэлектронного транзистора микроскопии другой сканирующий зондовый метод, способный обнаруживать минуты зарядки 4,10 эффектов. SCA изображений изначальноразработана в Массачусетском технологическом институте по Tessmer, Glicofridis, Ashoori, и сотрудники 7, кроме того, метод, описанный здесь можно рассматривать как сканирующий зондовый версия одноэлектронными емкостной спектроскопии метод, разработанный Ashoori и сотрудников 11. Одним из ключевых элементов измерения чрезвычайно чувствительны заряда схема обнаружения 5,12 использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT), он может достичь уровня шума по цене от 0,01 электрон / Гц ½ на 0,3 К, база температуры криостата в ссылке 5. Такая высокая чувствительность позволяет наблюдение одноэлектронных зарядки в подземных системах. Этот способ подходит для изучения электронной или дырочной динамики отдельных или небольшими группами легирующих примесей в полупроводниках, с типичным легирующей плотности записи порядка 10 15 м -2 в плоской геометрии 2. Пример типичной конфигурации образца для этого типа эксперимента показаны на рисунке 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ПРОТОКОЛ
- Начальная настройка микроскопа и электроники
- Начните с криогенной способны сканирующего зондового микроскопа с соответствующей управляющей электроникой. Микроскопы используются для исследований, описанных здесь, используют инерциальные перевод "ходить" образца к и от иглой вдоль рампы 13 (из проводящего материала, например, меди, латуни или нержавеющей стали, чтобы они могли передавать напряжение смещения образец) как часть Besocke STM конструкции 14, схематически показан на рисунке 2.
- В дополнение к напряжения смещения и туннельный ток коаксиальных проводов, обеспечить по крайней мере два других коаксиальных проводов и грозотроса, которые проходят от стойки электроники почти зоне наконечника микроскопа для эксплуатации криогенной схемы усилителя для чувствительного обнаружения заряда. Сборка элементов схемы усилителя, подробно описаны в литературе 5, 12 и 15, которые размещены на электронныйlectronics стойки; это часть цепи вне заштрихованный квадрат на рисунке 2. Эта часть схемы будет оставаться при комнатной температуре в течение всего эксперимента.
- Соберите монтажный чип для наконечника и НЕМТ цепи (затененное окно на рисунке 2); НЕМТ схема будет снижена до криогенных температур для получения оптимального энергетического разрешения.
- Клив квадратный чип размером приблизительно 1 см х 1 см от пластины GaAs использованием писца, цепь датчика и чаевых будет установлен на этом чипе. Депозит примерно 100 нм золотых поверх клеевого слоя титана через shadowmask на чип GaAs, чтобы сформировать несколько колодки золота, каждый размером примерно 1 мм х 1 мм, к которой провода от HEMT и резистор смещения будут связаны. Размеры прокладки не являются критическими.
- Подготовьте острый СТМ зонда путем механической резки 80:20 Pt: Ir провод использования бокорез. Наконечник может быть также получен путем химического травления оR другим способом или могут быть приобретены на коммерческой основе. Определить радиус кривизны вершины с помощью сканирующего электронного микроскопа; радиус кривизны должен быть порядка пространственное разрешение, необходимое для эксперимента.
- Эпоксидные золотой проволокой на каждую из золота колодки с использованием проводящих эпоксидной способны выдерживать криогенные температуры; эти провода соединит элементов схемы на монтажной чип с коаксиальным проводам на микроскопе. Так как золото провода может быть легко удалена после того, как следующему шагу, если в них нет необходимости, эпоксидные несколько избыточных провода золота на колодки. Эпоксидные НЕМТ, резистор смещения и СТМ на GaAs монтажа чипов. Отверждения эпоксидной смолы, который обозначен на его информации о продукте. (См. таблицу материалов ниже.)
- Использование провод полуторный загружен золотой проволокой, связь истока, стока и затвора элементы HEMT отделить золото площадок на кристалле GaAs. Бонд временные провода, соединяющие затвором и истоком Oт сливной колодки для обеспечения ворота не заряжаются по отношению к исток-сток канала. Используйте заземляющий браслет для дополнительной безопасности при управлении НЕМТ, важно принять меры предосторожности, чтобы избежать введения бродячих статических зарядов, которая может уничтожить НЕМТ.
- Хранить подготовленное монтажное чип с проводами прикреплен к затвору и исток-сток канал HEMT электрически соединены друг с другом, чтобы избежать короткого замыкания HEMT. Если временные провода, упомянутые в предыдущем шаге были удалены, осторожно скрутите провода вместе. Проще всего подключить все провода друг с другом.
- Прикрепите монтажные чипа к микроскопу.
- Убедитесь, что ворота и исток-сток каналы никогда не бывают плавающие, это сделано для предотвращения разрушительных шортах между затвором и исток-сток каналы НЕМТ. Заземление коаксиального провода на микроскоп, к которой провода от чип будет припаять.
- Прикрепите монтажные чип на вершине тОн пьезотрубки сканирования, как показано на рисунке 2.
- Припой золота проводов, проходящих от монтажной чип на соответствующие коаксиальные кабели при помощи индия припоя.
- Проверка целостности HEMT использованием характериографа подключенный к коаксиальному провода на стойке электроники. По существу, характериографа показывает исток-сток вольт-амперные характеристики. Наиболее распространенный отказ режим короткого замыкания между HEMT ворота и его исток-сток канал, что приводит к исток-сток характеристики, которые нечувствительны к напряжения на затворе.
- Установите образца. Прогулка в диапазоне микроскопа настроены в режиме STM чтобы гарантировать, что образец будет успешно подход наконечника.
- Подключите провода T предусилителя используются для СТМ измерения туннельного тока, и приложить напряжение смещения постоянного тока постоянного тока для провода B. (Все соединения выполняются на электронику стойку.)
- Прогулка в до образца и иглы не в туннельных диапазоне. Когда в РАNGE, сканирования пьезотрубки должна оставаться слегка расширены от положения равновесия так, чтобы заземления сканирования пьезотрубки вызовет кончик отказаться от своего в расширении диапазона. Это подтверждает, что образец может успешно подойти к чаевые. Выйдите из диапазона после этого, для защиты наконечника в течение следующих действий.
- Передача микроскоп из лаборатории крышке, Дьюара для возможного низкотемпературной эксплуатации. На данный момент, на этапе тестирования является полным и экспериментальной фазе может начаться.
- Откачать микроскоп до вакуума несколько microtorr. Охладите микроскопом до 4,2 К или ниже для оптимального энергетического разрешения, следуя указаниям, приведенным в руководстве по криостата.
- После охлаждения микроскопом на свою базу температуры, позволяют микроскоп времени, достаточного для достижения теплового равновесия, так как повторные, длительные сканирований той же самой области будет выполнена, важно свести к минимуму температурный дрейф. (Дрейфсдвиг в положении равновесия кончика по отношению к образцу.)
- Подвешивание Дьюара, чтобы изолировать микроскоп как можно больше от вибраций из-за механического соединения в здание и вакуумные насосы и другие устройства, подключенные к микроскопа и Дьюара. Это может быть сделано с помощью пружинного система подвески мозга, как в ссылочном 15, или с помощью пневматических рессор или аналогичным методом.
- После охлаждения микроскопом и, прежде чем сбор данных, проверки целостности HEMT снова используя кривую индикатора.
- Сканирование образца в туннельной (СТМ) режиме.
- Прогулка в диапазоне. Найдите область поверхности образца, которое свободно от мусора и от существенного роста или вариации проводимости, а также обеспечить стабильную наконечник.
- Коррекции любой наклон образца, это особенно важно, потому что емкость сканирование будет выполняться с обратной связью инвалиды, таким образом, кончик может врезаться в поверхность, если Scannния плоскости, не параллельной поверхности образца. В принципе, можно использовать емкостной сигнал с обратной связью для поддержания постоянной емкости во время сканирования наконечника, однако, на практике сигнал не является достаточно прочным, чтобы предотвратить аварии, если используется обратная связь.
- Заметим любой температурный дрейф так, что он может быть компенсирован путем перестановки наконечник смещения. Обратите внимание на количество расширение кончика то время как в диапазоне в режиме туннелирования, упомянутые в настоящем Протоколе точке касания.
- Переход к невозмущенной площади образца, один из которых не отсканированы в СТМ режиме.
- Отключение системы обратной связи СТМ контроллера. Напомним, что, когда обратная связь отключена, руководство движения кончика может непреднамеренно привести к аварии. Большое внимание должно быть принято при перемещении наконечника.
- Уберите Совет Несколько десятков нанометров от точки касания.
- Сместить боковые положение кончика к соседней площади образца бееCH в последнее время не были проверены, чтобы избежать любых возмущений (такие как зарядка сайтов полупроводниковых легирующей примеси) напряжение смещения необходимые для обеспечения туннелирования через полупроводниковый образец для сканирования STM могла привести.
- Осторожно расширить кончиком к поверхности, пока наконечник смещения от равновесия расширение не является близкой по величине к точке касания.
- Проводкой переключателя конфигурации емкости режиме.
- Заземляйте все коаксиального провода для защиты HEMT.
- Подключение коаксиального кабеля к соответствующим источникам напряжения и резисторов и синхронный усилитель и генератор функций, как показано на рисунке 2.
- Включите все источники напряжения. Чтобы избежать шокирует НЕМТ, начните с выходами напряжения источника при 0 В.
- Unground коаксиальных проводов, вспомнить, чтобы сохранить затвором и истоком, стоком канал HEMT соединены друг с другом как можно дольше, чтобы защитить HEMT.
- Установите Vение источник на резистивного делителя напряжения (провод D).
- Настройтесь НЕМТ к его наиболее чувствительном регионе, контролируя напряжение на провода L с помощью мультиметра во время настройки V мелодию. Снова провод L к синхронному усилителю впоследствии.
- Не Увеличение V мелодию, пока синфазный сигнал на синхронный усилитель увеличивается и начинает плато запись этого значения V мотив, который является напряжением, приложенным к наконечнику. Это позволяет всем заряд от измерения пойти в НЕМТ вместо утечки через провода L.
- Оптимизация внутренней фазы синхронный усилитель используя свою способность autophase и записывать значение фазы.
- Подождите, пока НЕМТ стабилизировать чтобы у пассажиров было никаких существенных тепловых эффектов (это часто занимает до двух часов).
- Остаток HEMT путем регулировки сигнала на стандартных конденсатор гарантировать, что только сигнал, представляющий интерес переходит к синхронному усилителю. Корректировка сигнала настандартный конденсатор может быть сделано либо с амплитудой баланс В или с относительной фазы между V и V баланс возбуждения. HEMT считается сбалансированным, когда синфазный сигнал на синхронный усилитель минимизируется на этом шаге процедуры.
- Выполните сканирующий накопления заряда.
- Установите напряжение смещения постоянного тока постоянного тока на образце.
- Расширение наконечник с точностью до 1 нм поверхности, с помощью сенсорной точки в качестве эталона.
- Запись выходе синхронный усилитель с использованием программного обеспечения сбора данных, это сигнал, представляющий интерес.
- Сканирование образца. Для получения хорошего разрешения, сканирование, возможно, потребуется быть приобретены в размере нескольких часов за одно сканирование, чтобы обеспечить достаточное усреднения сигнала для каждого пикселя и предотвращения размытия сигнала через прилегающие пиксели изображения. Выполнение нескольких сканирований над той же самой области, и средний эти сканирует вместе, чтобы улучшить отношение сигнал-шум.
- Выполните емкости (CV) спектроскопии с наконечником выше стационарной подземной особенностью интересов в изображении накопления заряда приобретенные на предыдущем шаге.
- Рампа В постоянного тока и записывать выходной сигнал синхронного усилител с использованием программного обеспечения сбора данных.
- Возьмем несколько емкости от напряжения (CV) кривых в том же месте, и средний эти кривые вместе, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. Как правило, несколько кривых усредняются вместе. В то время как усреднение кривых улучшает отношение сигнал-шум, из-за потенциального дрейфа во время сканирования, только несколько последовательных сканирований должны быть усреднены вместе.
- Вернуться на туннельный (СТМ) режиме.
- Уберите конца к расширению равновесия и перенастроить электронику для СТМ. Повторное включение обратной связи и запишите присутствует в диапазоне расширением наконечника (точки контакта).
- Сканировать местность в режиме туннелирования искать функции в верхнемграфия которые, возможно, сгенерированные артефакты изображения в емкость и емкостной спектроскопии.
- Анализировать и интерпретировать данные, после Ссылка 9 и вспомогательной информации в справочном 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Главный показатель успешного измерения воспроизводимость, так же как и в других методах сканирующий зондовый. Повторные измерения очень важны для этой причине. Для точки емкостной спектроскопии, принимая множество измерений в последовательности в том же месте помогает увеличить отношение сигнал-шум и идентифицировать ложные сигналы.
После того, как функция интерес был идентифицирован в пределах изображения накопления заряда и емкостной спектроскопии было выполнено, интерпретация CV данных начинается с определения напряжения рычага. Напряжение рычага является масштабного коэффициента относительно фактического потенциал в месте расположения легирующей примеси в прикладной постоянного тока. Это по существу составляет ненулевой расстояния зонд от сло присадки и для любого бокового смещения легирующей примеси от позиции непосредственно ниже наконечника. Напряжение плечо рычага находятся подгонкой функцией Лоренца к CV-спектроскопии 1,8 </ Вир>. Если абсолютную шкалу напряжения необходимо, контактной разности потенциалов (напряжение, при котором нет линий электрического поля из образца не прекращается на кончике) должна быть определена с помощью зонда Кельвина измерения 1,2,3,7.
Рисунок 3 (а) показан пример изображения накопления заряда с CV спектроскопии приобрели в указанной точке. Образец кремния, легированного бором акцепторов с поверхностной плотностью 1,7 × 10 15 м -2 в дельта-легированного слоя 15 нм от поверхности. Яркие цвета указывают увеличился зарядки. Яркие пятна интерпретируются как разметка расположения отдельных подземных атомов бора. Синяя точка указывает конкретного места, где яркие точки CV спектроскопии было выполнено 1, как показано на рисунке 3 (б). Наибольшего пика интерпретируется как ввод заряда примеси непосредственно под чаевые. Соседние пики обусловлены рядом примесей. Их центры сдвинуты и амплитуд деувеличилась по отношению к основному пику, потому что увеличенное расстояние этих примесей от кончика изменяет их параметры рычага. Пики расширены по оси напряжений, по существу четырех эффектов: (1) рычага, (2) тепловое расширение, (3) амплитуда напряжения возбуждения, и (4) выходного фильтра на синхронный усилитель. Эти эффекты учитываются в модели, как показал хорошее согласие между наложенной кривой 1 и модель данных.
Фиг.4 (а) показана последовательность зарядки пики, как на рисунке 3 (б). В этом случае образца GaAs, легированного кремнием доноров с поверхностной плотностью от 1,25 × 10 16 м -2 в дельта-легированного слоя 60 нм от поверхности. Из-за высокой плотности примеси, большинство спектроскопические особенности в этом эксперименте отражать групп много электронов. Пики идентифицируют путем установки; интерпретация пика как относящаяся к поютле электронов происходит от его соответствие по форме и величине с ожидаемой формой одноэлектронного пика. Несколько одноэлектронных пики были решены в этом эксперименте 2, одно из которых обозначено красной стрелкой. На рисунке 4 (б) и 4 (с) внимание на этот пик, показывающий, что он имеет ожидаемую форму для одного электронов эффект. Подходят на рисунке 4 (с) полуэллипса 16 свернут с функциями приходится пик уширения эффекты, описанные выше. Это подходит имеет два свободных параметра: центр пика и плеча рычага. CV три кривые на рисунке 4 (б) последовательных измерений спектроскопии на той же функции. Количество разброс данных на рисунке 4 (б) является типичной; усреднение нескольких кривых вместе, как это сделано на рисунке 4 (а), приводит к более легко идентифицируемый пик структуры, и именно поэтому делают несколько кривых резюме натой же функцией является очень важным для улучшения отношения сигнал-шум.
Рисунок 1. Схема типичного образца. Схема типичного образца для сканирующего зонда одноэлектронными эксперименты емкости. Образец представляет собой полупроводник с основной проводящий слой на известной глубине от поверхности, к которой смещение и возбуждения напряжения. Двумерного слоя легирующей примеси внедрен, также при известной глубине от поверхности. Электроны туннель между проводящим слоем и слоем легирующей примеси, изменение емкости системы и индуцировать изображение заряда в наконечник, который измеряется зарядочувствительный аппарата. Достаточно высокого напряжения смещения позволит электронам туннель между сло добавки и состояния поверхности, а также, электроннойnabling их обнаружение на поверхности с помощью СТМ.
Рисунок 2. Схема микроскопа и зарядовой устройство восприятия. Принципиальная схема усилителя описано в ссылке 5 и базируется на референс-12. Монтаж чип показано на место на схему Besocke-дизайн 14 сканирующий зондовый микроскоп с рампы 13 и образца (не в масштабе). Провод B обеспечивает напряжение смещения образца, в том числе напряжения переменного тока возбуждения использовались для провоцирования туннелирование и из подземных примесей. Провод C подключен к стандартной конденсатора и перестраиваемым источником переменного напряжения, который позволяет балансировки HEMT. Провод L подключается к синхронному усилителю, из которого емкостной сигнал записан, и провод D подключается к источнику напряжения через сопротивление создать прение делитель; выходной сигнал делителя напряжения является сигнал, посылаемый на синхронный усилитель. Во время измерения емкости, провод т соединена с регулируемым источником напряжения через большой резистор, чтобы предотвратить переменного тока заряда на кончике от утечки по этому пути. В туннелирования (СТМ) режиме, проволока T становится туннельный ток провода (с его источником напряжения отключен), проволока В остается подключен к источнику постоянного напряжения, а все остальные провода заземлены. Типичный выбор для резистивный делитель напряжения на проводе D составляет 100 кОм, напряжение на проводе D от 1,25 В. Выбор стандартной емкости должны противодействовать фон зонд-образец взаимную емкость, которая составляет приблизительно 20 FF. Резистор смещения на проводе T должна быть в районе 20 МОм. Эти решения направлены на настройку сопротивление HEMT сток-исток канала к его наиболее чувствительным режима.
"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" SRC = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Рисунок 3. SCA изображения и CV спектроскопии на акцептор, легированного Si (а) Сканирование накопления заряда изображение образца кремния, легированный слой бора акцепторов поверхностной плотностью 1,7 × 10 15 м -2 расположен 15 нм от поверхности 1;. V dc = 75 мВ, возбуждения = 3,7 мВ, температура была 4,2 К. (б) CV спектроскопии приобрел в точке (А), указанном синей точкой. Чтобы сосредоточить внимание на пике структуры, линии фона вычитали. Напряжение масштабе сдвинуты так, что нуль является центром наибольшего пика, т.к. ни измерений зонда Кельвина не было сделано во время этого эксперимента для определения абсолютной шкалы напряжения, это смещение вопрос удобства.
load/50676/50676fig4highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Рисунок 4. . CV спектроскопии Анализ на донора, легированного GaAs (а) CV-спектроскопии приобретенный на GaAs, легированного слоя кремния доноров поверхностной плотности 1,25 × 10 16 м -2 расположен 60 нм от поверхности 2; V возбуждения = 15 мВ; температура была 0,3 К. красный стрелка показывает пик, который далее исследовали (б) Более подробные отдельных спектроскопии CV измерений указанного пика на стадии (а) с напряжением по центру пика.. V возбуждения = 3,8 мВ (в) усредненные данные из множества кривых, показанных в (б). Форме, показанной на зеленый, составляет четыре эффектов, которые расширяют пик: плечо рычага, тепловое расширение, амплитуда напряжения возбуждения, а выход фильтра синхронный усилитель. В формуле (б) и (в) в (а), преобразование в значение емкости через C = ΔQ наконечником / V возбуждения не было сделано.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Подробное объяснение теоретической основой для этого экспериментального метода приведен в Литература 8 и 9 и обсуждали по отношению к сценарию подземных примесей в ссылке 2, обзор, представленные здесь, быть кратким и концептуальные. Кончик рассматривается как одна пластина конденсатора, а проводящий слой, лежащий в основе образец содержит другой пластине. Если напряжение постоянного тока прикладывается таким образом, что электроны притягиваются кончик, и если есть атома примеси расположен между основной проводящий слой и совет, который может вместить дополнительную плату, то электрон будет ввести примеси и, следовательно, ближе к чаевые. Из электростатики, движение этого электрона должно вызывать имиджевый заряд противоположного знака на конце. Синусоидальное напряжение возбуждения (V возбуждения), которые суммируются в напряжение постоянного тока вызовет электронов в резонанс между слоем подложки и примеси. В свою очередь, изображение заряжает шплохо также резонируют, что дает сигнал переменного тока, который детектируется посредством чувствительного заряда схемы обнаружения с использованием HEMT и далее амплифицировали с помощью синхронного усилител. Этот сигнал зарядки, может затем быть преобразован в емкости.
Наиболее распространенными режиме отказа этого эксперимента включает повреждение HEMT схема, которая позволяет чувствительное обнаружение платы. Поскольку HEMT ворота настолько мала, даже небольшое накопления статического заряда может привести к выходу из строя HEMT, как правило, в виде короткого замыкания между исток-сток канала и ворот. Если НЕМТ замкнут, одноэлектронных измерения емкости не может продолжаться, не заменяя его. Поскольку значительное количество времени, как правило, проведенное в подготовке эксперимента, в частности, охлаждение микроскопом до основания температуры, HEMTs использоваться для этих экспериментов должны быть защищены путем обеспечения того, затвор и сток-исток канала никогда не плавает, либо путем подключения Эти провода друг к другу (WheN работая с небольшим золотых проволочек на чипе), либо путем их заземления (при работе с коаксиальных соединений провод). Дополнительные меры предосторожности могут быть приняты носить антистатический браслет при работе с монтажной чип или микроскоп оборудовании, особенно в сухую погоду, так как даже мягкий статического заряда от человека экспериментатора может разрушить НЕМТ либо прямое короткое замыкание это или, заставляя его ловушку обвинения таким образом, что она никогда не стабилизируется. В случае сомнений по поводу состояния здоровья НЕМТ, следует использовать характериографа искать ожидаемые изменения в области исток-сток с характеристиками прикладных напряжения на затворе (часто называемый "веер").
Размеры золото прокладки на установочной чип не имеет большого значения, при условии, что они являются достаточно большими, чтобы обеспечить успешное соединительного провода, но намного меньше, чем на миллиметр, чтобы избежать избыточной емкости связи с устройством. Перед установкой НЕМТ или наконечник, это может быть полезно делать тест elsew связьздесь на монтажных чипа проверить, насколько хорошо связи можно ожидать, что работать над этим чипом. В том числе несколько дополнительных колодки золота на монтажной чип также может быть полезна в случае, если часть чипа является более пригодным для связи, чем другие регионы на чипе. Если процесс соединения, кажется, потянув образцы золота от площадки, чип GaAs возможно, не были достаточно чисты перед металлическими слоями были заложены или золота, возможно, ухудшилось с возрастом. Уменьшение мощности ультразвука используется на провода полуторный могут быть полезными в этом случае.
Индия припой используется для крепления золото ведет к коаксиальному провода из-за его хороших свойств при криогенных температурах. Аналогично, GaAs, используется в качестве материала для монтажа чип, чтобы не вызывать тепловой сжатие индуцированного напряжения в HEMT, который сам изготовлены на подложке GaAs. Так как GaAs является пьезоэлектрический материал, механическое напряжение на подложке может стать причиной короткого и последующего выхода из строяНЕМТ.
Для полупроводников, используемых в экспериментах в ссылки 1 и 2, поверхности образца могут быть отображены с помощью системы STM. То есть, электроны действительно может туннель прямо на кончике, когда аппарат был настроен в СТМ режиме. Это очень полезно, так как она обеспечивает способ принести кончик рядом с образцом без сбоев наконечника в поверхность. Напряжение смещения порядка нескольких единиц до нескольких вольт, необходимых для создания стабильной туннельный ток. С достаточно высоким напряжением смещения, расходы будут выведены из основного проводящего слоя на изолирующие областях образца с образованием проводящей лужу заряда на поверхности, это будет лужа следуйте совету, как кончик сканируется. Следовательно, поверхность может быть отображена как и в стандартной STM. Туннельный режим может привести к повреждению электронных для последующих измерений. Например, существует потенциальная возможность для образца, будут затронуты большие напряжения смещения, необходимые для IMAGE полупроводникового образца в режиме туннелирования, возможно вызывая переходные зарядки приповерхностных дефектов. Чтобы решить эту проблему, можно удалить большое напряжение и смещение наконечника к области нескольких сотен нанометров далеко (как правило, без использования обратной связи), как это описано в протоколе. Кроме того, наличие повреждения образца может быть обнаружено путем выполнения CV спектроскопией или делать Кельвина измерение 2.
Геометрии эксперимента подразумевает определенные характеристики должны быть направлены на развитие в образце. Локализация легирующего слоя вдоль направления туннелирования важно, так как чрезмерно толстым сло присадки будет добавить неоднозначности в определении плеча рычага. Другими словами, толщина сло добавки должны быть как можно ближе к одной атомной плоскости. Эта компоновка часто упоминается как "допинг дельта". Например, в эксперименте в ссылке 1, легирующего слоя составляла приблизительно 2 nanomметры толщиной.
Успешное накопление заряда сканирования изображений сделано, чтобы найти емкостной особенности, представляющие интерес может занять значительное количество времени, иногда на порядок несколько часов. Что касается скорость сканирования, каждый пиксель изображения должны принимать количество времени сравнима с несколькими периодами возбуждения V, а выход фильтра синхронный усилитель должен быть установлен в приблизительно то же значение времени на пиксель. Дрейф в микроскоп, которая не была заметна в течение нескольких минут STM сканирования может способствовать размытию существенно-больше длительности изображений накопления заряда.
То же наконечником используется для туннелирования и емкости для экспериментов будет иметь различные эффективные формы из-за расстояния зависимость соответствующих механизмов измерения. С туннелирования экспоненциально зависит от расстояния, в хорошем приближении, только одного атома Совет будет получать большую часть тока. Следовательно йэлектронной формы кончика в нанометровом масштабе многом утрачивает свое значение, пока вершина механически стабильны. В SCA изображений, напротив, заряд обнаружен на кончике связано с емкостью, грубо говоря, обратно пропорционально расстоянию и выше части наконечника действительно может получить значительную часть сигнала. Это означает, что нанометровые радиусом кривизны наконечника имеет отношение к методу измерения емкости. Для достижения максимальной амплитуды сигнала без ущерба пространственное разрешение, радиус закругления должна быть приблизительно равна глубине легирующей примеси слой под поверхностью 8,9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Исследование обсуждаемых здесь была поддержана Университета штата Мичиган Института квантовой наук и Национального научного фонда DMR-0305461, DMR-0906939 и DMR-0605801. KW благодарит за поддержку Министерство образования США GAANN Междисциплинарный подготовки стипендиатов программы Биоэлектроника.
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).
