Scanning-sonde Single-elektron Capacitance spektroskopi

Summary

Scanning-sonde enkelt elektron kapacitans spektroskopi letter undersøgelsen af ​​single-elektron bevægelse i lokaliserede underjordiske regioner. En følsom charge-afsløring kredsløb er inkorporeret i en kryogen scanning probe mikroskop at undersøge små systemer doteringsstofatomer under overfladen af ​​halvleder prøver.

Abstract

Integrationen af ​​lavtemperatur scanning-probe teknikker og single-elektron kapacitans spektroskopi er et effektivt redskab til at studere den elektroniske kvante struktur små systemer - herunder de enkelte atomare doteringsstoffer i halvledere. Her præsenterer vi en kapacitans-baserede metode, kendt som Subsurface Charge Ophobning (SCA) billeddannelse, der er i stand til at løse en enkelt elektron opladning samtidig opfylde tilstrækkelig rumlig opløsning til billede enkelte atomare dopants. Anvendelsen af en kapacitans teknik muliggør observation af underjordiske funktioner, såsom dopingmidler begravet mange nanometer under overfladen af et halvledermateriale ^1,2,3. I princippet kan denne teknik anvendes til ethvert system til at løse elektron bevægelse under en isolerende overflade.

Som i andre elektrisk felt-sensitive scannet-probe teknikker, ^4, afhænger den laterale rumlige opløsning af målingen delvis på radius curvature af sonden spids. Brug tips med en lille krumningsradius kan aktivere rumlig opløsning på et par snese nanometer. Denne fine rumlige opløsning gør det muligt for undersøgelser af små tal (ned til én) af undergrunden dopants ^1,2. Afgiften resolution afhænger i høj grad af følsomheden af den afgift detekteringskredsløb, ved hjælp af høj elektron mobilitet transistorer (HEMT) i sådanne kredsløb ved kryogene temperaturer muliggør en følsomhed på ca 0,01 elektroner / Hz ^½ ved 0,3 K ^5.

Introduction

Undergrunden Charge Ophobning (SCA) billeddannelse er en lav temperatur metode kan løse single-elektron opladning begivenheder. Når de anvendes til studiet af doteringsstofatomer i halvledere, kan metoden detektere enkelte elektroner ind donor eller acceptor atomer, tillader karakterisering af kvante struktur af disse minutter systemer. På sit hjerte, er SCA billeddannelse en lokal kapacitetsmåling ⁶ velegnet til kryogen drift. Fordi kapacitans er baseret på elektrisk felt, er det en langtrækkende effekt, der kan løse opladning under isolerende overflader ^6.. Kryogen drift tillader undersøgelse af enkelt-elektron bevægelse og kvanteniveau afstand, der ville blive uløselig ved stuetemperatur ^1,2. Teknikken kan anvendes på ethvert system, hvor elektron bevægelse under en isolerende overflade er vigtig, herunder opladning dynamik i todimensionale elektron systemer på nedgravede grænseflader ^7, for kortheds skyld, fokus her vil være på studier af halvleder dopants.

På det mest skematiske plan, behandler denne teknik scannede spids som en plade af en parallel-plade kondensator, selvom realistisk analyse kræver en mere detaljeret beskrivelse at tage højde for krumningen af spidsen ^8,9. Den anden plade i denne model er en nanoskala region af det underliggende ledende lag, som vist i figur 1.. Væsentlige, som en afgift ind i et doteringsmiddel som svar på en periodisk excitation spænding, det kommer tættere på spidsen, denne bevægelse inducerer flere billede afgift på spidsen, som er opdaget med sensorkredsløbet ^5.. Ligeledes da gebyret forlader Doterstof, er billedet afgift på spidsen faldet. Derfor periodisk opladning signal som reaktion på den ekscitationsspænding er det detekterede signal - det hovedsageligt er kapacitans, således denne måling omtales ofte som afgørende CV systemets egenskaber.

telt "> Under kapacitans måling er den eneste netto tunneling mellem den underliggende ledende lag og doterstof lag -. charge aldrig tunneler direkte på spidsen Den manglende direkte tunneling til eller fra spidsen under målingen er en vigtig forskel mellem denne teknik og den mere velkendte scanning tunneling mikroskopi, selv om meget af hardwaren for dette system er væsentligt identisk med en scanning tunneling mikroskop. Det er også vigtigt at bemærke, at SCA imaging ikke direkte følsomt over for statisk elektricitet. Ved undersøgelser af statisk elektricitet distributioner, scanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk force mikroskopi er hensigtsmæssig Ekstra kryogene metoder til at undersøge lokale elektroniske adfærd eksisterer som også har gode elektroniske og rumlige opløsning. for eksempel, er scanning enkelt elektron transistor mikroskopi anden scanning probe metoden kan påvise minut opladning effekter ^4,10. SCA imaging var oprindeligudviklet på MIT med Tessmer, Glicofridis, Ashoori og kollegaer ^7, og desuden kan den her beskrevne fremgangsmåde betragtes som en scanning probe version af Single-Electron Kapacitet spektroskopi metode udviklet af Ashoori og medarbejdere ^11.. Et centralt element i målingen er en yderst sensitiv charge-detekteringskredsløb ^5,12 ved hjælp af høj elektron mobilitet transistorer (HEMT), og det kan opnå et støjniveau så lavt som 0,01 elektroner / Hz ^½ ved 0,3 K, base temperatur kryostaterne i Henvisning 5.. Sådan en høj følsomhed muliggør observation af single-elektron opladning i undergrunden-systemer. Denne metode er velegnet til studiet af elektron eller hul dynamik individuelle eller små grupper af dopingmidler i halvledere med typiske doterende arealundersøgelses tætheder i størrelsesordenen 10 ¹⁵ m ^-2 i et plan geometri ^2.. Et eksempel på en typisk prøve konfiguration for denne type af forsøg er vist i figur 1

Protocol

1.. PROTOKOL

1. Indledende opsætning af mikroskop og elektronik
   1. Begynd med en kryogen-stand scanning probe mikroskop med tilhørende styreelektronik. Mikroskoper anvendes til forskning beskrevet her bruge inerti oversættelse til "walk" prøven mod og bort fra spidsen langs ramperne ¹³ (fremstillet af et ledende materiale, såsom kobber, messing eller rustfrit stål for at sætte dem i stand til at transmittere bias spænding til prøve) som del af et Besocke design STM ^14, skematisk vist i figur 2..
   2. Ud over forspændingen og tunneling aktuelle koaksiale ledninger, give mindst to andre koaksiale ledninger og en jordledning som strækker sig fra elektronik rack nær spidsen område af mikroskopet for at betjene den kryogene forstærkerkredsløb til følsom opladning detektion. Samle elementerne i forstærkerkredsløbet, beskrevet i detaljer i Referencer 5, 12, og 15, er der opstaldet på electronics rack, det er den del af kredsløbet udenfor det skraverede felt i figur 2. Denne del af kredsløbet vil forblive ved stuetemperatur under hele forsøget.
2. Saml monterings chip til spidsen og HEMT kredsløb (skraveret kasse i figur 2), den HEMT kredsløb blive sænket til kryogen temperatur for at opnå optimal energi opløsning.
   1. Spalte en firkantet chip dimensioneret ca 1 cm x 1 cm fra en GaAs wafer med en syl, sensorkredsløbet og spids vil blive monteret på denne chip. Deposit cirka 100 nm af guld oven på en titan stikning lag gennem en shadowmask på GaAs-chip til at danne flere guld puder, hver størrelse ca 1 mm x 1 mm, til hvilke ledninger fra HEMT og påvirke modstand vil blive bundet. Dimensionerne af puderne er ikke kritiske.
   2. Forbered en skarp STM tip ved mekanisk skæring 80:20 Pt: Ir wire hjælp diagonale kuttere. Spidsen kan også fremstilles ved kemisk ætsning or en anden metode eller kan købes kommercielt. Bestem krumningsradius af spidsen via scanning elektronmikroskopi, krumningsradius skal være på rækkefølgen af ​​den rumlige opløsning er nødvendig for eksperimentet.
   3. Epoxy en guldtråd på hver af guld puder med ledende epoxy kan modstå kryogene temperaturer; disse ledninger vil forbinde elementerne i kredsløbet på montering chip til de koaksiale ledninger på mikroskopet. Da guldtråd kan nemt fjernes efter næste trin, hvis de ikke er nødvendige, epoxy nogle overflødige guldtråd på puderne. Epoxy den HEMT, påvirkningskraften modstanden og STM tippen på GaAs montering chip. Cure epoxyen som anført på dens produktbladet. (Se tabellen af ​​materialer nedenfor for detaljer).
   4. Ved hjælp af en wire bonder lastet med guldtråd, obligationer kilden, drain, og gate elementer i HEMT at adskille guld puder på GaAs chip. Bond midlertidige ledninger forbinder gate og source or drain puder til at sikre porten ikke bliver ladet med hensyn til source-drain kanal. Brug en grundstødning rem for ekstra sikkerhed, mens manipulere HEMT, det er vigtigt at tage forholdsregler for at undgå at indføre omstrejfende statisk elektricitet, som kan ødelægge HEMT.
   5. Opbevar den forberedte montering chip med ledninger fastgjort til porten og til source-drain kanal HEMT elektrisk forbundet til hinanden for at undgå kortslutning HEMT. Hvis de midlertidige ledninger, der er nævnt i det forrige trin er blevet fjernet, forsigtigt vride ledninger sammen. Det er lettest at forbinde alle ledningerne til hinanden.
3. Fastgør monteringen chip til mikroskopet.
   1. Sørg for, at porten og source-drain-kanaler aldrig er flydende, og dette er for at forhindre ødelæggende shorts mellem gate og source-drain kanaler i HEMT. Jorde de koaksiale ledninger på mikroskopet, hvortil ledningerne fra chippen vil blive loddet.
   2. Fastgør montering chip på toppen than scanning piezotube, som vist i figur 2..
   3. Lodde guldtråd strækker sig fra montering chip til de relevante koaksiale ledninger ved hjælp af indium loddetin.
4. Kontrollere integriteten af ​​HEMT ved hjælp af en kurve sporstof forbundet til koaksiale ledninger ved elektronik rack. Væsentlige, kurven sporstof viser source-drain strøm spænding karakteristika. Den mest almindelige form for svigt er en kortslutning mellem den HEMT gate og dens source-drain kanal, hvilket resulterer i source-drain egenskaber, som er ufølsomme for gate spænding.
5. Monter prøven. Gå ind rækkevidde med mikroskopet konfigureret i STM-tilstand for at sikre, at stikprøven held vil henvende sig til spidsen.
   1. Slut wire T til forforstærkeren benyttes til STM tunneling strømmålinger, og vedhæfte DC bias spænding V _DC til wire B. (Alle tilslutninger foretages på elektronik rack.)
   2. Walk, indtil prøven og tip er tunneling rækkevidde. Når du er i raNSÆ, bør scanning piezotube forblive udvidet en smule fra sin ligevægt position, således at grundstødningen scanning piezotube vil få tip til at trække fra sin in-range forlængelse. Dette bekræfter, at prøven med held kan henvende spidsen. Gå ud af rækkevidde efter at gøre dette, for at beskytte spidsen i løbet af de næste tiltag.
   3. Overfør mikroskop fra laboratoriet bordplade til dewar-karret for eventuel lav temperatur drift. På dette tidspunkt, er testfasen komplet og den eksperimentelle fase kan begynde.
6. Pump mikroskopet til et vakuum på et par microtorr. Afkøl mikroskop til 4,2 K eller derunder for optimal energi opløsning, efter proceduren skitseret i manualen for kryostaten.
   1. Efter afkøling af mikroskop til sin base temperatur, give mikroskop tilstrækkelig tid til at nå termisk ligevægt, eftersom gentagne, langvarige scanninger af det samme område vil blive udført, er det vigtigt at minimere termisk drift. (Drift eret skift i ligevægt position af spidsen i forhold til prøven.)
   2. Suspendere Dewar at isolere mikroskopet så meget som muligt fra vibrationer som følge af mekanisk kobling til bygningen og til vakuumpumper og andre anordninger fastgjort til mikroskopet og Dewar. Dette kan gøres ved hjælp af en strop affjedringssystem, som i Referenceeksempel 15, eller ved hjælp af luftfjedre eller en lignende metode.
7. Efter afkøling af mikroskop og før du forsøger dataindsamling, verificere integriteten af ​​HEMT igen ved hjælp af kurven sporstof.
8. Scan prøven i tunneling (STM) mode.
   1. Gå ind rækkevidde. Find en region af prøven overflade, som er fri for affald og en væsentlig højde eller ledningsevne variationer og sikre spidsen er stabil.
   2. Korrigere for enhver hældning af prøven, og dette er især vigtigt, fordi kapacitans scanninger vil blive udført med tilbagekoblingssløjfen deaktiveret, således spidsen kunne gå ned i overfladen, hvis scanning plan ikke er parallel med overfladen af ​​prøven. I princippet kunne man bruge kapacitans signal med tilbagemelding til at opretholde en konstant kapacitans under scanning spidsen, men i praksis, at signalet ikke er tilstrækkelig robust til at undgå et nedbrud hvis feedback bruges.
   3. Overhold enhver termisk drift, så det kan der kompenseres for ved at flytte spidsen offset. Bemærk mængden af ​​forlængelsen af ​​spidsen, mens i området i tunneling-mode, der er nævnt i denne protokol, som berøringspunkt.
9. Flyt til et uperturberede område af prøven, en som ikke blev scannet i STM-tilstand.
   1. Deaktiver feedback loop i STM controller. Husk på, at når feedback loop er deaktiveret, kan manuelle bevægelser spidsen uforvarende forårsage et styrt. Stor forsigtighed bør derfor tages, mens du flytter spidsen.
   2. Træk spidsen et par snese nanometer fra berøringspunkt.
   3. Opveje den laterale position spidsen til et nærliggende område af prøven which har ikke for nylig blevet scannet, for at undgå eventuelle forstyrrelser (såsom opladning af halvledere doteringsmateriale sites) bias spænding der kræves for at aktivere tunneling gennem halvledende prøven for STM scanning kan have fremkaldt.
   4. Forsigtigt udvide spidsen mod overfladen indtil spidsen forskydning fra ligevægt forlængelse er tæt i størrelsesorden til touch punkt.
10. Skifte ledningskonfigurationen til kapacitansfunktion.
    1. Jorde alle koaksiale ledninger for at beskytte HEMT.
    2. Forbind de koaksiale ledninger til de relevante spænding kilder og modstande og lock-in forstærker og funktion generator, som vist i figur 2..
    3. Tænd alle spænding kilder. For at undgå chokerende HEMT, begynder med spænding kilde udgange ved 0 V.
    4. Umalet de koaksiale ledninger, huske at holde porten og source-drain kanal HEMT forbundet med hinanden så længe som muligt for at beskytte HEMT.
    5. Indstil voltage kilde på spændingsdeler modstand (wire D).
    6. Tune HEMT til dens mest følsomme region ved at overvåge spændingen over wire L med et multimeter, mens du justerer V _melodi. Sæt wire L til lock-in forstærker bagefter.
    7. Forhøjelse V _tune indtil i-fase signal på lock-in forstærker stiger og begynder at plateau, registrere denne værdi af V _melodi, som er den spænding, der påtrykkes spidsen. Dette gør det muligt al ladning fra målingen for at gå til HEMT stedet for lækker gennem wire L.
    8. Optimer den interne fase af lock-in forstærker ved hjælp af sin autophase evne og optage den fase værdi.
    9. Vent på HEMT at stabilisere at sikre at der ikke er nogen betydelige termiske effekter (det ofte tager op til to timer).
11. Balancer HEMT ved at justere signalet på standard kondensator til at sikre, at kun signalet af interesse går til lock-in forstærker. Justeringer af signalet påstandard kondensator kan ske enten til amplituden af _V-balance eller den relative fase mellem V _balance og V _excitation. Den HEMT anses i balance, når i-fase signal på lock-in forstærker er minimeret på dette trin i proceduren.
12. Udfør scanning opladning ophobning billeddannelse.
    1. Sæt DC bias spænding V _DC på prøven.
    2. Forlæng spidsen inden for 1 nm af overfladen ved hjælp af touch punkt som reference.
    3. Registrere produktionen af ​​lock-in-forstærker ved hjælp af datafangst software, og det er signalet af interesse.
    4. Scan prøven. For at opnå en god opløsning, kan scanninger skal erhverves med en sats på flere timer pr scan at give tilstrækkelig signal gennemsnit for hver pixel, og for at forhindre udtværing af signalet på tværs tilstødende pixels i billedet. Udføre flere scanninger over samme område, og gennemsnittet disse scanninger sammen for at forbedre signal-støjforholdet.
    5. Udfør kapacitans (CV) spektroskopi med spidsen stationært over et underjordisk træk interesse i afgift ophobning billedet erhvervet under det foregående trin.
       1. Rampe V _DC og registrere produktionen af lock-in forstærker ved hjælp af datafangst software.
       2. Tage flere kapacitans vs spænding (CV) kurver i den samme placering og gennemsnitlige Disse kurver sammen for at forbedre signal-støj-forholdet. Typisk er et par kurver gennemsnit sammen. Mens gennemsnit kurver forbedrer signal-til-støjforhold, på grund af risikoen for afdrift under scanninger, skal kun en håndfuld af successive scanninger gennemsnit sammen.
    6. Retur til tunneling (STM) mode.
       1. Træk spidsen af ​​sin ligevægt udvidelse og omkonfigurere elektronik til STM. Genaktivere feedback loop og optage stede i afstande forlængelse af spidsen (berøringspunkt).
       2. Scan det område tunneling tilstand for at lede efter funktioner i topography som kan have genereret artefakter i kapacitansen billedbehandling og kapacitans spektroskopi.
    7. Analysere og fortolke data efter Henvisning 9 og understøttende oplysninger i Henvisning 1..

Representative Results

Den ledende indikator for en vellykket måling er reproducerbarhed meget som i andre scanning probe metoder. Gentagne målinger er meget vigtigt af denne grund. For punkt kapacitans spektroskopi, hjælper tage mange målinger i træk på samme sted for at øge signal-støj-forhold og identificere falske signaler.

Når en funktion af interesse er blevet identificeret i afgift ophobning image og kapacitans spektroskopi er foretaget, fortolkning af CV data begynder ved at bestemme spændingen vægtstang. Spændingen vægtstangsarm er skalaen faktor vedrørende den faktiske potentiale ved placeringen af doteringsstof til den anvendte V _DC. I det væsentlige udgør den ikke-nul afstand af spidsen fra den doterende lag og for enhver sideværts forskydning af doteringsstoffet fra positionen lige under spidsen. Spændingen vægtstangsarm er fundet ved at montere en Lorentz-funktion til CV spektroskopi data ^{1,8 <}/ Sup>. Hvis en absolut spænding skala ønskes, skal kontakten potentiale (spænding, hvor ingen elektriske feltlinier fra prøven opsige på spidsen) bestemmes via en Kelvin sonde måling ^1,2,3,7.

Figur 3 (a) viser et eksempel på en afgift ophobning billede med CV spektroskopi erhvervet ved skæringspunktet. Prøven var silicium, doteret med bor acceptorer med en arealdensitet på 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 i en delta-doteret lag 15 nm under overfladen. Lysere farver indikerer øget opladning. De lyse pletter tolkes som markerer placeringen af ​​de enkelte underjordiske boratomer. Den blå prik viser en særlig lyspunkt hvor punkt CV spektroskopi blev udført ^1, som vist i figur 3 (b). Den største top tolkes at være ladning ind doteringsstoffet direkte under spidsen. Nærliggende toppe skyldes nærliggende dopants. Deres centre forskydes og amplituder deøget med hensyn til hovedtoppen fordi den øgede afstand af disse dopingmidler fra spidsen ændrer deres vægtstang parametre. Toppene er udvidet langs spændingen akse ved hovedsagelig fire virkninger: (1) vippearmen (2) termisk udvidelse, (3) amplituden af ​​ekscitationsspænding, og (4) output filter af lock-in-forstærker. Disse virkninger er regnskabsmæssigt i modellen, som det fremgår af den gode aftale mellem overlejret model kurve ¹ og data.

Figur 4 (a) viser en række opladning toppe, svarende til figur 3 (b). I dette tilfælde var prøven GaAs, doteret med silicium donorer med en arealdensitet på 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 i en delta-doteret lag 60 nm under overfladen. Grund af den høje doteringsmiddel tæthed, de fleste af de spektroskopiske træk i dette eksperiment afspejler grupper af mange elektroner. Peaks identificeres ved montering, tolkning af et højdepunkt, som kan tilskrives en single elektron kommer fra dens konsistens i form og størrelse med den forventede form af en enkelt-elektron top. En håndfuld enkelt elektron toppe blev løst i dette eksperiment ^2, hvoraf den ene er angivet med den røde pil. Figur 4 (b) og 4 (c) fokuserer på denne top viser, at det har den forventede form for en enkelt- elektron effekt. Pasformen i figur 4 (c), er en halv ellipse ¹⁶ foldet med funktioner tegner sig for peak-udvidende effekter beskrevet ovenfor. Denne fit har to frie parametre: I midten af ​​toppen og håndtaget arm. De tre CV kurver i figur 4 (b), er sekventielle spektroskopi målinger på samme funktion. Mængden af scatter i dataene i figur 4 (b), er typisk, gennemsnit flere kurver sammen, som det sker i figur 4 (a), resulterer i lettere identificerbare peak struktur, som er grunden til at gøre flere CV kurver påsamme funktion er meget vigtig for at forbedre signal-støj-forholdet.

Figur 1. Skematisk af en typisk prøve. Skematisk af en typisk prøve til scanning-probe single-elektron kapacitans eksperimenter. Prøven er en halvleder med et underliggende ledende lag på en kendt dybde fra overfladen, som bias og excitation spændinger anvendes. En to-dimensionelle lag af doteringsmidler er indlejret, også ved en kendt dybde fra overfladen. Elektroner tunnel mellem det ledende lag og den doterende lag, ændrer kapacitansen af ​​systemet og inducere et billede ladning i spidsen hvilket måles ved charge-følsomme apparater. En tilstrækkelig høj forspænding vil give elektroner til tunnel mellem den doterende lag og en overflade tilstand samt, enabling deres detektion ved overfladen ved STM.

Figur 2. Skematisk af mikroskop og Charge-sensing Apparatur. Circuit diagram for forstærkeren er beskrevet i Henvisning 5 og baseret på Henvisning 12. Montering chip er vist på plads på en skematisk af en Besocke design ¹⁴ scanning probe mikroskop med ramper ¹³ og prøve (ikke målfast). Wire B giver prøven biasspænding, inklusive AC excitation spænding, der anvendes til at opildne tunneller til og fra underjordiske doteringsmidler. Wire C er forbundet til standard kondensator og afstemmelige AC spændingskilde tillader afbalancering af HEMT. Wire L forbinder til lock-in forstærker hvorfra kapacitans signalet registreres, og tråd D forbindes til en spændingskilde gennem en modstand til at skabe avoltage divider, produktionen af ​​spændingsdeler er signalet sendes til lock-in forstærker. Under kapacitans målinger er lednin tilsluttet en justerbar spændingskilde gennem en stor modstand for at forhindre Ladetilstandsvisning på spidsen i at lække ned denne vej. I tunneling (STM)-tilstand, bliver wire T tunneleffekten nuværende ledning (med dens spænding kilde afbrudt), wire B forbliver forbundet til en DC spænding kilde, og alle andre ledninger er jordet. Et typisk valg for spændingsdeler modstand wire D er 100 kohm med en spænding på tråd D +1,25 V. Valget af standard kapacitans bør modvirke baggrund spids-prøve gensidig kapacitans, der er ca 20 fF. Den skævhed modstand på wire T bør være i omegnen af ​​20 MOhm. Disse valg formål at tune modstand HEMT source-drain kanal til dens mest følsomme regime.

"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Figur 3. SCA Billede og CV spektroskopi på acceptor-doteret Si (a) scanning afgift ophobning billede af en silicium prøve doteret med et lag af bor acceptorer af arealdensitet 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 placeret 15 nm under overfladen ^1,. V _DC = 75 mV, V _excitation = 3,7 mV, temperaturen var 4,2 K. (b) CV spektroskopi erhvervet ved det punkt (a), angivet med en blå prik. At fokusere på peak struktur blev en baggrund linje fratrækkes. Spændingen skala er blevet forskudt således, at nul er centrum for den største top, da ingen Kelvin sonde måling blev udført under dette eksperiment for at bestemme den absolutte spænding skala, dette forskydning er et spørgsmål om bekvemmelighed.

load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Figur 4.. . CV Spectroscopy analyse om Donor-doped GaAs (a) CV spektroskopi erhvervet GaAs, doteret med et lag af silicium donorer af arealdensitet 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 placeret 60 nm under overfladen ^2, V _excitation = 15 mV, den Temperaturen var 0,3 K. Den røde pil markerer en top, som blev yderligere undersøgt (b) Mere detaljerede individuelle CV spektroskopi målinger af den angivne top i (a) med den spænding centreret på toppen,.. V _excitation = 3,8 mV (c) gennemsnitsdata data for de mange kurver er vist i (b). Fit, vist med grønt, tegner sig for fire effekter, der udvider peak: Armen, termisk udvidelse, amplituden af ​​excitation spænding, og output filter af lock-in forstærker. I (b) og (c) (a), omdannelse til en kapacitans værdi via C = AQ _tip / V _excitation er ikke blevet foretaget.

Discussion

En detaljeret forklaring af det teoretiske grundlag for denne eksperimentelle metode er givet i Referencer 8 og 9 og diskuteret i forbindelse med scenariet for underjordiske dopingmidler i Reference 2, oversigten præsenteres her vil derfor være korte og konceptuelle. Spidsen behandles som en plade af en kondensator, og det ledende lag bag prøven omfatter den anden plade. Hvis DC spændingen anvendes således, at elektronerne trækkes mod spidsen, og hvis der er en doterende atom beliggende mellem det underliggende ledende lag og spidsen, der kan rumme et ekstra gebyr, så elektronen træder den doterende og dermed komme tættere på spidsen. Fra elektrostatik, skal bevægelsen af ​​denne elektron fremkalde et billede ansvaret for det modsatte fortegn på spidsen. Sinusformet magnetisering (V _excitation), der summeres i DC spænding medfører elektronen til at resonere mellem substratlaget og doteringsmiddel. Til gengæld opkræver billedet wsyg også resonerer, hvilket giver en AC-signal, der detekteres af den følsomme charge-detekteringskredsløb udnytte HEMT og forstærkes yderligere med en lock-in forstærker. Denne opladning signal kan derefter omdannes til en kapacitans.

Den mest almindelige form for svigt af dette eksperiment involverer beskadigelse af HEMT kredsløb, der gør det muligt for følsomme ladning detektion. Da den HEMT porten er så lille, kan selv en lille statisk ladning ophobning forårsage en fejl i HEMT, som regel i form af en kort mellem source-drain-kanalen og porten. Hvis HEMT er kortsluttet, kan single-elektron kapacitetsmåling ikke fortsætte uden at erstatte det. Da en mærkbar mængde tid generelt er brugt ved fremstilling af forsøget, især i køle mikroskopet ned til sin base temperatur bør HEMTs anvendt til disse eksperimenter kan beskyttes ved at sikre, at gate og source-drain-kanaler aldrig er flydende, enten ved at forbinde disse fører til hinanden (when arbejder med de små guld tråde på chippen), eller ved at jorde dem (når du arbejder med de koaksiale ledningsforbindelser). Ekstra forholdsregler kan tages ved at bære en grundstødning strop mens håndtering montering chip eller mikroskop hardware, især i tørt vejr, da selv mild statisk ladning fra eksperimentatorens person kan ødelægge en HEMT enten ved direkte kortslutning den eller ved at få den til at fælde afgifter på en sådan måde, at det aldrig helt stabiliserer. Hvis du er i tvivl om de sundhedsmæssige af HEMT, bør man bruge en kurve sporstof for at lede efter de forventede variationer i source-drain karakteristika med anvendt gate spænding (ofte kaldet "fan").

Dimensionerne af de guld puder på monterings chippen ikke er af stor betydning, forudsat at de er store nok til at tillade vellykket wire bonding, men meget mindre end en millimeter for at undgå kobling overskydende kapacitans til kredsløbet. Før du monterer HEMT eller tip, kan det være nyttigt at gøre en test bond elsewher på monterings chippen at teste, hvor godt binding kan forventes at arbejde på denne chip. Herunder et par ekstra guld puder på monterings chippen kan også være nyttigt i tilfælde del af chippen er mere modtagelig for binding end andre regioner på chippen. Hvis bonding processen synes at være at trække farveprøver af guld off af puden kan GaAs chip ikke har været tilstrækkeligt rene, før de metal lag blev lagt ned eller guldet kan have forværret med alderen. Nedsættelse af ultralyd magt bruges på wire bonder kan være nyttige i dette tilfælde.

Indium loddemetal bruges til at fastgøre guld fører til de koaksiale ledninger på grund af dens gode egenskaber ved kryogene temperaturer. Tilsvarende er GaAs anvendes som materiale til montering chip at undgå at forårsage en termisk sammentrækning-induceret stammen i HEMT, som selv er fremstillet på en GaAs-substrat. Da GaAs er et piezoelektrisk materiale, kan en mekanisk belastning på substratet forårsager en kort og deraf følgende svigt afHEMT.

For halvledere anvendt i eksperimenterne i Referencer 1 og 2, kan prøveoverfladen afbildes ved anvendelse af systemet som et STM. Det vil sige, kan elektroner faktisk tunnel direkte på spidsen, når apparatet blev konfigureret i STM-tilstand. Dette er meget nyttigt, da det giver en måde at bringe spids tæt på prøven uden nedbrud spidsen ind i overfladen. En forspænding på rækkefølgen af ​​nogle få til flere volt er nødvendig for at etablere en stabil tunneling strøm. Med en tilstrækkelig høj forspænding, vil beløbet blive trukket fra det underliggende ledende lag over de isolerende regioner af prøven for at danne en ledende pøl af ladning på overfladen, dette pyt vil følge tip som spidsen er scannet. Derfor overfladen kan afbildes ligesom i standard STM. Tunneling funktionen kan forårsage elektronisk skade for efterfølgende målinger. For eksempel er der mulighed for at prøven kan blive påvirket af de store bias spændinger kræves for at image en halvledende prøve i tunneling tilstand, muligvis inducere forbigående opkrævning af nær-overfladedefekter. For at løse dette, kan man fjerne den store spænding og offset spidsen til et område flere hundrede nanometer væk (typisk uden brug af feedback), som beskrevet i protokollen. Alternativt kan tilstedeværelsen af beskadigelse af prøven påvises ved at udføre CV spektroskopi eller ved at gøre en Kelvin sonde måling ^2..

Geometrien af ​​forsøget indebærer visse karakteristika bør tilstræbes i udviklingen af ​​prøven. Lokalisering af den doterende lag langs retningen af ​​tunneling er vigtigt, da en alt for tyk doteringsmateriale lag vil tilføje tvetydighed til bestemmelse af vægtstangen. Med andre ord, bør tykkelsen af ​​den doterende lag være så tæt som muligt på en enkelt atomar plan. Dette arrangement er benævnt "delta doping." For eksempel, i forsøget i reference 1 den doterende lag var ca 2 nanometers tyk.

Succesfulde charge ophobning billedbehandling scanninger gøres for at lokalisere kapacitive funktioner af interesse kan tage en betydelig mængde tid, undertiden på rækkefølgen af ​​flere timer. Med hensyn til at scanne hastighed, bør hver pixel i billedet tage en tid svarende til flere perioder i V _excitation, og output filter lock-in forstærker bør indstilles til omtrent den samme værdi som den tid per pixel. Drift i mikroskopet, som var ikke mærkbar i løbet af et par minutter STM scanning kan bidrage til smøring af væsentlige er længere varighed charge ophobning billeder.

Det samme spids anvendes til tunneling og kapacitans eksperimenter vil have en anden effektiv form på grund af afstanden afhængighed af de respektive måling mekanismer. Da tunneling er eksponentielt afhængig afstand, til en god tilnærmelse, vil kun en enkelt spids atom får de fleste af de nuværende. Derfor the formen på spidsen på nanometerskala er for det meste irrelevant, så længe spidsen er mekanisk stabilt. I SCA billeddannelse, derimod ladningen detekteres på spidsen skyldes kapacitans, groft sagt, det er omvendt proportional med afstanden og højere dele af spidsen kan også modtage en væsentlig del af signalet. Dette betyder nanometerskala krumningsradius af spidsen er relevant for kapacitans måleteknikker. At maksimere amplituden af signalet uden at kompromittere rumlig opløsning, bør næseradius være omtrent lig med dybden af den doterende lag under overfladen ^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