Scanning-sond Single-elektron kapacitans spektroskopi

Summary

Scanning-sond enda elektron kapacitans spektroskopi underlättar studiet av en enda elektron i lokaliserade underjordiska regioner. En känslig laddning-detektionskrets införlivas i en kryogen scanning probe mikroskop för att undersöka små system av dopämne atomer under ytan av halvledare prover.

Abstract

Integrationen av låg temperatur scanning-probe tekniker och enda elektron kapacitans spektroskopi är ett kraftfullt verktyg för att studera den elektroniska kvantstruktur små system - inklusive enskilda atom dopningsmedel i halvledare. Här presenterar vi en kapacitans-baserad metod, som kallas Subsurface laddningsansamling (SCA) imaging, som är i stånd att lösa en enda elektron laddning samtidigt uppnå tillräcklig rumslig upplösning för att avbilda enskilda atom dopningsmedel. Användningen av en kapacitans Tekniken möjliggör observation av underjordiska funktioner, t.ex. dopningsmedel begravda många nanometer under ytan av ett halvledarmaterial ^1,2,3. I princip kan denna teknik kunna användas till alla system för att lösa elektron rörelse under en isolerande yta.

Som i andra elektriskt fält-känsliga skannad-probe tekniker ^4, beror den laterala rumsliga upplösningen av mätningen delvis på radien av curvature av mätspetsen. Använda tips med en liten krökningsradie kan möjliggöra rumsliga upplösningen av några tiotal nanometer. Denna fina rumsliga upplösningen tillåter undersökningar av små siffrorna (ner till en) av ytan dopningsmedel ^1,2. Avgiften upplösningen beror mycket på hur känslig den avgift detektionskretsen, med hög elektron mobilitet transistorer (HEMT) i sådana kretsar vid låga temperaturer kan en känslighet på ca 0,01 elektroner / Hz ^½ vid 0,3 K ^5.

Introduction

Subsurface laddningsansamling (SCA) imaging är en låg temperatur metod kan lösa enda elektron laddning händelser. När den appliceras till studien av dopämne atomer i halvledare kan metoden detektera enskilda elektroner in donator eller acceptor-atomer, vilket medger karakterisering av den kvantmekaniska strukturen för dessa minut system. Vid sitt hjärta, är SCA imaging en lokal kapacitansmätning ⁶ väl lämpad för kryogen användning. Eftersom kapacitans är baserat på elektriskt fält, är det en lång rad effekter som kan lösa laddning under isolerande ytor ^6. Kryogen drift medger undersökning av en enda elektron rörelse och kvant nivå avstånd som skulle vara olöslig vid rumstemperatur ^1,2. Tekniken kan tillämpas på alla system där elektron rörelse under en isolerande yta är viktigt, inklusive laddning dynamiken i tvådimensionella elektronsystem vid nedgrävda gränssnitt ^7, för enkelhetens skull, fokus här kommer att ligga på studier av halvledare dopningsmedel.

På den mest schematiska nivå, behandlar denna teknik den scannade spets som en platta av en parallell-platta kondensator, även realistisk analys kräver en mer detaljerad beskrivning att ta hänsyn till krökningen av spetsen ^8,9. Den andra plattan i denna modell är en nanoskala region i det underliggande ledande skiktet, såsom visas i fig. 1. I huvudsak som en avgift inträder ett dopningsmedel som svar på en periodisk excitation spänning, blir det närmare spetsen, denna rörelse inducerar mer bild avgift på spetsen, som detekteras med sensorkretsen ^5. På liknande sätt som laddningen lämnar dopämne är bilden laddningen på spetsen minskat. Därav den periodiska laddning signalen som svar på excitation spänningen är den detekterade signalen - i huvudsak det är kapacitans, alltså denna mätning är ofta till som bestämning av CV egenskaper av systemet.

tält "> Under kapacitansmätning, är den enda netto tunnling mellan det underliggande ledande skiktet och det dopämne skiktet -. debiterar aldrig tunnlar direkt på spetsen Bristen på direkt tunnling till eller från spetsen under mätningen är en viktig skillnad mellan detta Teknik och de mer välkända sveptunnelmikroskopi, är även om mycket av hårdvaran för detta system i huvudsak identisk med den hos en Sveptunnelmikroskop. Det är också viktigt att notera att SCA bildbehandling är inte direkt känsliga för statiska laddningar. För undersökningar av statisk laddning distributioner, scanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk kraft mikroskopi är lämpligt Ytterligare cryogenic metoder för att undersöka lokala elektroniska beteende existerar som också har god elektronisk och spatial upplösning,. t.ex. scanning enda elektron transistor mikroskopi är en annan scanning probe metod som kan detektera minut laddning effekter ^4,10. SCA imaging var ursprungligenutvecklats vid MIT från Tessmer, Glicofridis, Ashoori och medarbetare ^7, och för övrigt kan den här beskrivna metoden betraktas som en scanning probe version av Single-Electron kapacitans spektroskopi metod utvecklad av Ashoori och medarbetare ^11. En viktig del av mätningen är ett extremt känsligt laddning-detekteringskrets ^5,12 med hög elektron mobilitet transistorer (HEMT), den kan uppnå en ljudnivå så låg som 0,01 elektroner / Hz ^½ vid 0,3 K, basen temperatur kryostatens i referens 5. En sådan hög känslighet tillåter observation av en enda elektron laddning i underjordiska system. Denna metod lämpar sig för studier av elektron eller hål dynamik enskilda eller små grupper av dopningsmedel i halvledare, med typiska dopade ytdensiteter i storleksordningen 10 ¹⁵ m ^-2 i ett plan geometri ^2. Ett exempel på ett typiskt prov konfigurationen för denna typ av experiment visas i figur 1

Protocol

Ett. PROTOKOLL

1. Första installationen av mikroskopet och elektronik
   1. Börja med en kryogen-kapabel scanning probe mikroskop med tillhörande styrelektronik. De mikroskop som används för den forskning som beskrivs här använda tröghetssystem översättning att "gå" provet mot och bort från spetsen utmed ramperna ¹³ (tillverkad av ett ledande material, såsom koppar, mässing, eller rostfritt stål för att göra det möjligt för dem att överföra förspänning till den prov) som en del av en Besocke konstruktion STM ^14, som schematiskt visas i figur 2.
   2. Förutom förspänningen och tunneldrivning nuvarande koaxial kablar, tillhandahålla åtminstone två andra koaxiella ledningar och en jordledning, som sträcker sig från elektronikindustrin rack till nära spetsen området av mikroskopet för att manövrera den kryogena förstärkarkretsen för känslig avgift upptäckt. Montera delarna i förstärkaren kretsen, som beskrivs i detalj i Hänvisar till 5, 12, och 15, är det inrymt på electronics rack, det är den del av kretsen utanför den skuggade rutan i figur 2. Denna del av kretsen kommer att förbli vid rumstemperatur under hela experimentet.
2. Montera montering chip för spetsen och HEMT krets (skuggad ruta i figur 2), den HEMT-kretsen kommer att sänkas till kryogen temperatur att erhålla optimal energiupplösning.
   1. Cleave en fyrkantig chip storlek på ca 1 cm x 1 cm från ett GaAs-wafer med hjälp av en rits, givarkretsen och dricks kommer att monteras på detta chip. Deposition ca 100 nm guld ovanpå en titan sticker skikt genom en shadowmask på GaAs-chip för att bilda flera guld kuddar, varje storlek på ca 1 mm x 1 mm, till vilka kablar från HEMT och förspänningsmotstånd ska bindas. Dimensionerna av dynorna är inte kritiska.
   2. Förbered en vass STM spets genom att mekaniskt skära en 80:20 Pt: Ir tråd med sidavbitare. Spetsen kan också framställas genom kemisk etsning or en annan metod eller kan köpas i handeln. Bestäm krökningsradie av spetsen via svepelektronmikroskopi, krökningsradien bör vara i storleksordningen av den rumsliga upplösningen behövs för experimentet.
   3. Epoxy en guldtråd mot varje guld kuddar med användning av ledande epoxi som kan motstå kryogena temperaturer, dessa trådar kommer att ansluta elementen i kretsen på monterings chipet till de koaxiella ledningar på mikroskopet. Eftersom guld trådar kan lätt tas bort efter nästa steg, om de inte behövs, epoxi några redundanta guldtrådar på dynorna. Epoxy HEMT, den förspänningsmotstånd och STM spetsen på GaAs montering chip. Härda epoxi såsom det anges i produktblad. (Se tabellen av material nedan för detaljer.)
   4. Använda en tråd Bonder lastad med guld tråd, band källan, avlopp och element gate i HEMT att separera guld kuddar på GaAs-chip. Bond tillfälliga ledningar förbinder gate och source or drain kuddar för att säkerställa att grinden inte blir belastat med avseende på source-drain-kanalen. Använd en jordad rem för extra säkerhet när manipulera HEMT, det är viktigt att vidta försiktighetsåtgärder för att undvika att införa herrelösa statiska laddningar som kan förstöra HEMT.
   5. Förvara den förberedda montering chip med de kablar dragna till gate och till källan-dräneringskanal av HEMT elektriskt anslutna till varandra för att undvika kortslutning av HEMT. Om de tillfälliga ledningar som nämns i föregående steg har tagits bort, vrid försiktigt samman trådarna. Det är enklast att ansluta alla kablar till varandra.
3. Montera fäste chipet till mikroskopet.
   1. Säkerställ att porten och source-drain-kanaler är aldrig flytande, detta är för att förhindra destruktiva shorts mellan gate och source-drain-kanaler i HEMT. Jorda koaxial kablar på mikroskopet som trådarna från chipet ska lödas.
   2. Fäst montering chip ovanpå than skannar piezotube, såsom visas i fig. 2.
   3. Löda guldtrådar utgår från ett fäste chip till de relevanta koaxial kablar med indium lod.
4. Kontrollera integriteten för HEMT använder en kurva spårämne koaxial kablar vid elektronik rack. I huvudsak visar kurvan spårämne källan-drain ström-spänning karakteristika. Det vanligaste feltillstånd är en kort mellan den HEMT gate och dess source-drain-kanal, vilket resulterar i source-drain-egenskaper som är okänsliga för styrspänning.
5. Montera provet. Promenad i området med mikroskopet konfigureras i STM-läge för att säkerställa att provet framgångsrikt kommer att närma sig toppen.
   1. Anslut tråd T till förförstärkaren för STM tunneldrivning aktuella mätningar, och bifoga likspänningsförspänningen V _DC till tråd B. (Alla anslutningar görs på elektronik rack.)
   2. Promenera in tills provet och spetsen är i tunnel intervall. När i RANBE bör scanning piezotube förbli förlängas något från sitt jämviktsläge så att jorda scanning piezotube orsakar spetsen att dras från dess i-intervall förlängning. Detta verifierar att provet framgångsrikt kan närma spetsen. Gå ut i området efter att göra detta, för att skydda spetsen under de kommande åtgärderna.
   3. Överför mikroskopet från laboratoriet bänk till dewarkärlet för eventuell låg temperatur drift. Vid denna punkt, är testfasen komplett och den experimentella fasen kan börja.
6. Pumpa ut mikroskop för att ett vakuum av ett fåtal microtorr. Kyl mikroskop till 4,2 K eller lägre för optimal energi upplösning, enligt det förfarande som beskrivs i handboken för kryostaten.
   1. Efter kylning mikroskopet till sin bas temperatur, låta mikroskopet tillräcklig tid för att uppnå termisk jämvikt, eftersom upprepade, långa scanningar av samma område kommer att utföras, är det viktigt att minimera termisk drift. (Drift ären förskjutning i jämviktsläget av spetsen i förhållande till provet.)
   2. Häng dewarkärlet att isolera mikroskopet så mycket som möjligt från vibrationer på grund av mekanisk koppling till byggnaden och vakuumpumpar och andra enheter anslutna till mikroskopet och dewarkärlet. Detta kan göras med användning av en bungee systemet rep suspension, som i referensexempel 15, eller genom att använda luftfjädrar eller en liknande metod.
7. Efter kylning av mikroskop och innan datainsamling, verifiera integriteten hos HEMT igen med hjälp av kurvan spårämne.
8. Skanna provet i tunnel (STM) läget.
   1. Promenad i området. Lokalisera en region av provet yta som är fri från skräp och från betydande höjd eller variationer ledningsförmåga, och se till att spetsen är stabil.
   2. Justera för varje lutning av provet, vilket är särskilt viktigt eftersom kapacitans skanningar kommer att utföras med återkopplingsslingan inaktiveras sålunda spetsen kan krascha in i ytan om Scanning plan inte är parallell med ytan av provet. I princip skulle man använda kapacitanssignal med återkoppling för att upprätthålla en konstant kapacitans vid avsökning av spetsen, men i praktiken, är signalen inte är tillräckligt stabila för att förhindra en krasch om feedback används.
   3. Observera någon termisk drift så att det kan kompenseras genom att placera spetsen offset. Notera mängden förlängningen av spetsen medan i området i tunnel läge, som avses i detta protokoll som beröringspunkt.
9. Flytta till ett ostörda område av provet, en som inte har genomsökts i STM-läge.
   1. Inaktivera återkopplingsslingan i STM regulatorn. Minns att när återkopplingsslingan är inaktiverad, kan manuella rörelser av spetsen oavsiktligt orsaka en krasch. Stor försiktighet bör därför iakttas när du flyttar spetsen.
   2. Dra in spetsen några tiotal nanometer från kontaktpunkten.
   3. Offset den laterala positionen av spetsen till en närliggande område av provet which har inte nyligen skannats, för att undvika eventuella störningar (t.ex. laddning av webbplatser halvledare dopade) bias spänning som krävs för att möjliggöra tunnling genom halvledande provet för STM skanning kan ha inducerats.
   4. Försiktigt förlänga spetsen mot ytan tills spetsen förskjutning från jämvikt förlängningen är nära i storlek till den beröringspunkt.
10. Växla kabelkonfiguration till kapacitans läget.
    1. Jorda alla koaxial kablar för att skydda HEMT.
    2. Anslut de koaxiala kablarna till de relevanta spänningskällorna och resistorer och till lock-in-förstärkaren och funktionsgenerator, såsom visas i fig. 2.
    3. Slå på alla spänningskällor. För att undvika chockerande HEMT, börja med spänningsstyva utgångar vid 0 V.
    4. Omalen de koaxiella ledningar, komma ihåg att hålla grinden och källan-dräneringskanal av HEMT förbundna med varandra så länge som möjligt för att skydda HEMT.
    5. Ställ voltage källa på spänningsdelare motstånd (tråd D).
    6. Trimma HEMT till dess mest känsliga området genom att övervaka spänningen över tråden L med en multimeter medan du justerar V _melodi. Sätt tillbaka kabeln L till inlåsningsförstärkaren efteråt.
    7. Öka V _tune tills i-fas-signal på lock-in-förstärkare ökar och börjar platå: Inspelning detta värde på V _melodi, vilket är den spänning som appliceras på spetsen. Detta gör att all laddning från mätningen gå till HEMT istället för att läcka genom tråd L.
    8. Optimera interna fasen av lock-in förstärkare med sin autophase förmåga och spela fasen värdet.
    9. Vänta på HEMT stabiliseras för att säkerställa att det inte finns några betydande termiska effekter (detta ofta tar upp till två timmar).
11. Balansera HEMT genom att justera signalen på standarden kondensator för att säkerställa att endast den intressanta signalen går till inlåsningsförstärkaren. Justeringar av signalen påstandard kondensator kan göras antingen till amplituden för _V-balans eller för att den relativa fasen mellan V _balans och V _excitation. Den HEMT anses balanserad när i-fas-signalen på infångningsförstärkaren minimeras vid detta steg i proceduren.
12. Utför scanning imaging laddningsackumulering.
    1. Ställ in DC förspänningen V _DC på provet.
    2. Förläng spetsen till inom 1 nm av ytan, med hjälp av beröringspunkt som referens.
    3. Anteckna utgång infångningsförstärkaren med datainsamling programvara, detta är den intressanta signalen.
    4. Skanna provet. För att få god upplösning, kan de genomsökningar måste förvärvas till en kurs av flera timmar per scan att ge tillräcklig signal genomsnitt för varje pixel och för att förhindra nedsmutsning av signalen över angränsande bildpunkter i bilden. Utför flera svep över samma område och genomsnittlig Dessa skannar tillsammans för att förbättra signal-till-brusförhållande.
    5. Utför kapacitans (CV) spektroskopi med spetsen stilla över en underjordisk inslag av intresse för laddningsackumulering bilden förvärvats under föregående steg.
       1. Ramp V _DC och spela in produktionen av infångningsförstärkaren med datainsamling programvara.
       2. Ta flera kapacitans vs spänning (CV) kurvor på samma plats, och genomsnittliga dessa kurvor tillsammans för att förbättra signal-till-brus-förhållande. Typiskt är några kurvor genomsnitt ihop. Medan genomsnitt kurvor förbättrar signal-till-brus-förhållande, på grund av risken för avdrift under genomsökningar, bör endast en handfull successiva svep utjämnas tillsammans.
    6. Återgå till tunnling (STM) läget.
       1. Dra spetsen på sin jämviktsnivå förlängning och konfigurera om elektronik för STM. Återaktivera återkoppling och registrera den nuvarande in-intervall förlängning av spetsen (beröringspunkt).
       2. Skanna området i tunnel läge att leta efter funktioner i toppenography som kan ha genererat artefakter i kapacitansen bildbehandling och kapacitans spektroskopi.
    7. Analysera och tolka data, efter Reference 9 och den stödjande informationen i Reference 1.

Representative Results

Den främsta indikatorn på en lyckad mätning är reproducerbarhet, mycket som i andra svepspetsmetoder. Upprepade mätningar är mycket viktiga för denna anledning. För punkt kapacitans spektroskopi, med många mätningar i följd på samma plats hjälper till att öka signal-till-brus-förhållande och identifiera falska signaler.

När ett område av intresse har identifierats inom laddningsackumulering bilden och kapacitans spektroskopi har utförts, börjar tolkning av CV data genom att bestämma spänningen hävarm. Spänningen hävarm är skalfaktorn som avser den faktiska potentialen vid platsen för dopämnet till den applicerade V _DC. Den står i huvudsak för den från noll skilda avstånd av spetsen från dopningsmedel skiktet och för någon sidoförskjutning av dopämnet från läget direkt under spetsen. Spänningen hävarm hittas genom att montera en Lorentz funktion till CV spektroskopi uppgifter ^{1,8 <}/ Sup>. Om en absolut spänning skala önskas, bör kontakten potential (spänning vid vilken inga elektriska fältlinjerna från provet avslutas vid spetsen) bestämmas via en Kelvin probe mätning ^1,2,3,7.

Figur 3 (a) visar ett exempel på en laddningsackumulering bild med CV spektroskopi förvärvats vid den angivna punkten. Provet var kisel, dopad med bor-acceptorer med en ytdensitet av 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 i en delta-dopat skikt 15 nm under ytan. Klarare färger visar på ökad laddning. De ljusa fläckarna tolkas som markerar platsen för enskilda underjordiska boratomer. Den blå prick indikerar en viss ljuspunkt där punkten CV spektroskopi utfördes ^1, som visas i Figur 3 (b). Den största toppen tolkas att avgiften kommer in i dopningsmedel direkt nedanför spetsen. Närliggande toppar beror på närliggande dopämnen. Deras center skiftas och amplituder deökat i förhållande till huvudtoppen eftersom ökade avståndet för dessa dopmedel från spetsen förändrar deras parametrar hävarmsbelastningar. Topparna breddas längs spänningsaxeln genom väsentligen fyra effekter: (1) hävarmen, (2) termisk breddning, (3) amplituden av exciterings spänning, och (4) utgångsfiltret av lock-in-förstärkare. Dessa effekter redovisas i modellen, vilket framgår av den bra överenskommelse mellan den överlagrade modellen kurva ¹ och datan.

Figur 4 (a) visar en serie av laddning toppar, liknande fig 3 (b). I detta fall var provet GaAs, dopade med kisel givare med en ytdensitet av 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 i en delta-dopat skikt 60 nm under ytan. Grund av den höga dopämne densitet, de flesta av de spektroskopiska funktioner i detta experiment avspeglar grupper av många elektroner. Topparna identifieras genom montering, tolkning av en topp som kan tillskrivas en single elektron kommer från dess konsekvens i form och storlek med den förväntade formen av en enda elektron topp. En handfull enda elektron toppar löstes i detta experiment ^2, en av vilket indikeras av den röda pilen., Figur 4 (b) och 4 (c) fokus på denna topp som visar att det har den förväntade formen för en enda- elektron effekt. Passformen i Figur 4 (c) är en halv ellips ¹⁶ convolved med funktioner som står för den topp-breddning effekter som beskrivs ovan. Detta passar har två fria parametrar: centrum av toppen och hävarm. De tre CV kurvorna i figur 4 (b) är sekventiella spektroskopi mätningar på samma funktion. Mängden spridning i data i Figur 4 (b) är typiskt, genomsnitt flera kurvor tillsammans, vilket görs i Figur 4 (a), i lättare identifierbar topp struktur, vilket är anledningen till att göra flera CV kurvor på resultatsamma funktion är mycket viktig för att förbättra signal-till-brusförhållande.

Figur 1. Schematisk bild av ett typiskt prov. Schematisk bild av ett typiskt prov för skanning-probe enda elektron kapacitans experiment. Provet är en halvledare med ett underliggande ledande skikt på ett känt djup från ytan till vilken partiskhet och excitation spänning appliceras. En tvådimensionell skikt av dopmedel är inbäddat, också på ett känt djup från ytan. Elektroner tunnel mellan det ledande skiktet och det dopämne skiktet, ändra kapacitansen hos systemet och inducera en bild laddning i spetsen som mäts av denna avgift-känslig apparatur. En tillräckligt hög förspänning möjliggör elektroner till tunneln mellan dopningsmedel skiktet och en yta staten samt, enabling deras upptäckt på ytan av STM.

Figur 2. Schematisk av mikroskop och Charge-avkänningsapparat. Kopplingsschema för förstärkaren som beskrivs i referens 5 och baserat på Reference 12. Montering chip visas på plats på ett schema av en Besocke-konstruktion ¹⁴ scanning probe mikroskop med ramper ¹³ och prov (ej skalenlig). Tråd B ger spänningsnivån provet bias, inklusive AC excitationsspänningen brukade hetsa tunnlar till och från underjordiska dopningsmedel. Wire C ansluts till den standard kondensator och den avstämbara växelspänningskälla som tillåter balansering av HEMT. Wire L ansluter till inlåsningsförstärkaren från vilken kapacitans signal registreras, och tråd D ansluts till en spänningskälla genom ett motstånd för att skapa AVoltage avdelare, utgång spänningsdelare är signalen skickas till inlåsningsförstärkaren. Under kapacitansmätningar, är tråd T ansluten till en justerbar spänningskälla genom ett stort motstånd för att förhindra AC laddning på spetsen från att läcka ner denna väg. I tunnling (STM) blir tråd T tunneldrivning aktuella tråden (med dess spänningskälla frånkopplad), tråd B förblir ansluten till en DC spänningskälla, och alla andra kablar är jordade. Ett typiskt val för spänningsdelaren motstånd på tråd D är 100 kQ med en spänning på tråd D av 1,25 V. Valet av standard kapacitans bör motverka bakgrunden tip-sample ömsesidig kapacitans, vilket är ungefär 20 fF. Den förspänningsmotstånd på tråd T bör vara i närheten av 20 Mohm. Dessa val syftar till att avstämma motståndet hos HEMT source-dräneringskanal till dess mest känsliga regimen.

"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Figur 3. SCA Bild och CV spektroskopi på Acceptor-dopad Si (a) Scanning laddningsackumulering bild av en kiselprov dopad med ett skikt av bor acceptorer av areadensitet 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 belägna 15 nm under ytan ^1,. V _DC = 75 mV, V _excitation = 3,7 mV, temperaturen var 4,2 K. (b) CV spektroskopi förvärvats vid den punkt i (a) indikeras av den blå prick. Att fokusera på toppen strukturen har en bakgrund linje subtraheras. Spänningen skalan har förskjutits så att noll är centrum för den största toppen, eftersom ingen Kelvin probe mätning gjordes under detta experiment för att bestämma den absoluta spänningen skala, är denna förskjutning en fråga om bekvämlighet.

load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Figur 4. . CV Spektroskopi Analys på Donor-dopade GaAs (a) CV spektroskopi förvärvats på GaAs, dopad med ett skikt av kisel givare av areadensitet 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 ligger 60 nm under ytan ^2, V _excitation = 15 mV, den Temperaturen var 0,3 K. Den röda pilen markerar en topp som ytterligare undersöktes (b) Mer detaljerade individuella CV spektroskopi mätningar av den angivna topp i (a) med spänningen centrerad på topp;.. V _excitation = 3.8 mV (c) Genomsnittspunkter data av de multipla kurvor som visas i (b). Passformen, som visas i grönt, står för fyra effekter som breddar toppen: hävarmen, termisk utvidgning, amplituden på exciteringsspänningen och utgångsfiltret av infångningsförstärkaren. I (b) och (c) (a), C omvandling till en kapacitans värde via = AQ _tip / V _excitation inte har gjorts.

Discussion

En detaljerad förklaring av den teoretiska grunden för denna experimentella metod ges i Referenser 8 och 9 och diskuteras med avseende på det scenario av underjordiska dopningsmedel i referens 2, översikten presenteras här kommer därför att vara kortfattad och konceptuella. Spetsen behandlas som en platta av en kondensator, och det ledande skiktet som ligger under provet innefattar den andra plattan. Om likspänningen appliceras så att elektroner dras mot spetsen, och om det finns ett dopningsmedel atom belägen mellan den underliggande ledande skiktet och spetsen som kan rymma en extra kostnad, då elektronen kommer in i dopämnet och därmed komma närmare spetsen. Från elektrostatiska, måste rörelsen av denna elektron framkalla en bild laddning av motsatt tecken på spetsen. Den sinusformade exciteringsspänning (V _excitation) som summeras till DC-spänningen kommer att bringa elektronen att ge resonans mellan substratskiktet och dopämnet. I sin tur laddar bilden wsjuk också resonans, vilket ger en AC-signal som detekteras av den känsliga laddning-detekteringskretsar utnyttja HEMT och förstärks ytterligare med en lock-in-förstärkare. Denna laddning signal kan sedan omvandlas till en kapacitans.

Det vanligaste fel läge av detta experiment innebär skador på HEMT krets som möjliggör känslig avgift upptäckt. Eftersom HEMT grinden är så liten, kan även en liten statisk laddning avlagringarna orsaka ett misslyckande för HEMT, vanligen i form av ett kort mellan source-dräneringskanal och grinden. Om en HEMT är kortsluten, kan den enda elektron kapacitansmätning inte fortsätta utan att ersätta den. Eftersom en avsevärd mängd tid är allmänt använt vid framställning av experimentet, särskilt vid kylning av mikroskop ner till dess bas temperatur bör HEMTs som används för dessa experiment skyddas genom att säkerställa att de grind-och source-drain-kanaler är aldrig flytande, antingen genom att ansluta dessa leder till varandra (when arbetar med små guld-ledningar på chip) eller genom att jorda dem (när man arbetar med de koaxiala anslutningar). Extra försiktighetsåtgärder kan vidtas genom att bära ett antistatiskt handledsband när du hanterar montering chip eller mikroskopet hårdvara, särskilt i torrt väder, så även mild statisk laddning från försöksledaren s person kan förstöra en HEMT antingen genom direkt kortslutning det eller genom att få det att fånga avgifter på ett sådant sätt att den aldrig riktigt stabiliseras. Vid tveksamheter om hälsan hos HEMT, bör man använda en kurva spårämne för att leta efter de förväntade variationerna i source-drain egenskaper med tillämpad gate spänning (ofta kallad "fan").

Måtten på guld kuddar på montering chip är inte av stor betydelse, förutsatt att de är tillräckligt stora för att medge lyckad trådsammanfogning, men mycket mindre än en millimeter för att undvika koppling överskott kapacitans till kretsen. Innan du fäster HEMT eller spets, kan det vara lämpligt att göra en elsew testa obligationhär på monteringsplattan chip för att testa hur bra bindning kan förväntas arbeta på detta chip. Inklusive några extra guld kuddar på montering chipet kan också vara användbart om en del av chip är mer mottaglig för bindning än andra regioner på chipet. Om limning processen förefaller kunna dra swatches på guld bort av dynan kan GaAs chip inte varit tillräckligt ren innan metallskikt fastställdes eller guld kan ha försämrats med åldern. Minskning av ultraljud effekt som används på tråd Bonder kan vara till hjälp i detta fall.

Indium lod används för att fästa guld leder till koaxial kablar på grund av dess goda egenskaper vid låga temperaturer. På liknande sätt är GaAs används som materialet för monteringen chip för att undvika att orsaka en termisk-kontraktion-inducerad spänning i HEMT, vilken i sig monterad på ett GaAs-substrat. Eftersom GaAs är en piezoelektrisk material, kan en mekanisk påfrestning på substratet orsaka kortslutning och åtföljande misslyckandeHEMT.

För de halvledare som används i experimenten i Referenser 1 och 2, kan provets yta att avbildas genom att använda systemet som en STM. Det vill säga, kunde elektroner tunnel faktiskt direkt på spetsen när apparaten var konfigurerad i STM-läge. Detta är mycket användbart eftersom det ger ett sätt att föra spetsen nära provet utan att krascha spetsen in i ytan. En förspänning i storleksordningen ett fåtal till flera volt behövs för att upprätta en stabil tunnel ström. Med en tillräckligt hög förspänning, kommer avgifterna dras från det underliggande ledande skiktet över de isolerande regioner i provet för att bilda en ledande pöl av laddning vid ytan; denna pöl kommer att följa spetsen när spetsen skannas. Därav ytan kan avbildas på samma sätt som i standard STM. Tunneldrivning läget kan orsaka elektroniska skador för efterföljande mätningar. Till exempel, finns en risk för att provet skall påverkas av de stora förspänningar som krävs för att imaGE ett halvledande prov i tunnel läge, möjligen inducera övergående laddning av ytnära defekter. För att lösa detta, kan man ta bort den stora spänning och offset spetsen till ett område flera hundra nanometer bort (vanligtvis utan användning av återkoppling), såsom beskrivs i protokollet. Alternativt kan närvaron av skador på provet detekteras genom att utföra CV-spektroskopi eller genom att göra en Kelvin sond mätning ^2.

Geometrin av experimentet innebär vissa egenskaper bör eftersträvas i utvecklingen av provet. Lokalisering av dopämnet skiktet längs riktningen för tunnling är viktigt, eftersom en alltför tjockt dopämne skikt kommer att lägga tvetydighet till bestämningen av hävarmen. Med andra ord, bör tjockleken av dopmedel skiktet vara så nära som möjligt till en enda atom plan. Detta arrangemang hänvisas till som "delta dopning." Till exempel, i experimentet i Referensexempel 1, var den dopämnet skiktet cirka 2 nanommetrar tjock.

Framgångsrika laddningsansamling imaging skanningar göras för att lokalisera kapacitiva egenskaper av intresse kan ta en avsevärd tid, ibland i storleksordningen flera timmar. När det gäller att skanna hastighet, bör varje pixel i bilden ta en mängd av tid jämförbar med flera perioder i V _excitation, och utsignalen filtret i lock-in-förstärkare bör sättas till ungefär samma värde som den tid per bildpunkt. Drift i mikroskopet som inte märktes under loppet av ett fåtal minuter STM scan kan bidra till nedsmutsning av väsentligen-längre varaktighet bilder laddningsackumulering.

Samma spets som används för att tunnla och för kapacitans experiment kommer att ha en annan effektiv form beror på avståndet beroende av respektive mätning mekanismer. Eftersom tunnling är exponentiellt beroende av avstånd, till en god approximation, kommer bara ett enda tips atom får huvuddelen av strömmen. Därför the spetsens form på nanometerskalan är mestadels irrelevant, så länge som toppen är mekaniskt stabil. I SCA avbildning, däremot, är avgiften upptäckts på spetsen på grund av kapacitans, grovt sett, är det omvänt proportionell mot avståndet och högre delarna av spetsen kan faktiskt få en större del av signalen. Detta innebär den nanometernivå krökningsradie hos spetsen är relevant för tekniker kapacitansmätning. För att maximera amplituden hos signalen utan att kompromissa rumsupplösning bör nosradie vara ungefär lika med djupet på dopmedel skiktet under ytan ^8,9.

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