Summary
Tarama-prob tek elektron kapasite spektroskopisi lokalize yeraltı bölgelerde tek elektron hareket çalışma kolaylaştırır. Hassas bir şarj-algılama devre yarıiletken numune yüzeyinin altında dopant atomların küçük sistemleri araştırmak için bir kriyojenik tarama prob mikroskobu içine dahil edilmiştir.
Abstract
Yarı iletkenler tek tek atom dopants dahil olmak üzere - düşük sıcaklık tarama-probu teknikleri ve tek elektron kapasite spektroskopisi entegrasyonu küçük sistemlerin elektronik kuantum yapısını incelemek için güçlü bir araç temsil eder. Burada görüntü bireysel atom dopants için yeterli uzaysal çözünürlüğü elde ederken tek elektron şarj çözme yeteneğine sahip olan Yeraltı Şarj Birikim (SCA) görüntüleme, olarak bilinen bir kapasite-tabanlı bir yöntem sunuyoruz. Bir kapasite tekniğin kullanılması gibi bir yarı iletken malzeme 1,2,3 yüzeyinin altında birçok nanometre gömülü dopants gibi yeraltı özellikleri, gözlem sağlar. Prensip olarak, bu teknik, bir yalıtım yüzeyi altında elektron hareket çözmek için herhangi bir sisteme uygulanabilir.
Diğer elektrik alan-duyarlı bir taranmış-prob teknikleri 4 de olduğu gibi, ölçüm yanal uzaysal çözünürlüğü curvatur yarıçapı üzerinde kısmen bağlıdırprob ucunun e. Eğrilik küçük yarıçaplı ipuçlarını kullanarak nanometre birkaç onlarca uzaysal çözünürlüğü etkinleştirebilirsiniz. Bu iyi uzaysal çözünürlüğü yeraltı dopants 1,2 az sayıda incelenmesi (aşağı birine) sağlar. Şarj çözünürlük ücret belirleme devresinin duyarlılığı büyük ölçüde bağlıdır; kriyojenik sıcaklıklarda bu devrelerde yüksek elektron hareketliliğine sahip transistör (HEMT) kullanarak yaklaşık 0.01 elektron / Hz bir duyarlılık sağlayan ½ 0,3 K 5..
Introduction
Yer altı yük birikiminin (SCA) görüntüleme tek elektron şarj olaylar çözme yeteneğine sahip bir düşük sıcaklıkta bir yöntemdir. Iletkenlerde dopant atomlu çalışma uygulandığında, bu yöntem bu dakika sistemlerin kuantum yapısı karakterizasyonu izin veren, donör ve akseptör atomuna giren tek elektron algılayabilir. Onun kalbinde, SCA görüntüleme yerel bir kapasite ölçüm 6 kriyojenik çalışma için çok uygundur. Kapasite elektrik alan dayalı olduğu için, bu yüzeylerde 6 yalıtım altında şarj çözebilirsiniz uzun menzilli etkisidir. Kriyojenik işlem oda sıcaklığında 1,2 de çözümlenemeyen olacağını tek elektron hareket ve kuantum seviyesinde boşluk soruşturma izin verir. Bu teknik, gömülü arayüzleri 7 az iki boyutlu elektron sistemleri olan dolum dinamikleri dahil olmak üzere bir yalıtım yüzeyi altında elektron hareket önemli olduğu herhangi bir sisteme uygulanabilir; kısalık için, Burada odak yarı iletken güçlendiricilerin çalışmaları olacak.
Gerçekçi analizi ucu 8,9 eğriliği açıklamak için daha ayrıntılı bir açıklama gerektirir rağmen en şematik düzeyde, bu teknik, bir paralel plakalı kondansatör bir tabak olarak taranan ucu davranır. Şekil 1 'de gösterildiği gibi, bu modeldeki diğer levha, altta yatan iletken tabakanın bir nano ölçekli bir bölgedir. Bir ücret periyodik bir uyarma gerilimi yanıt olarak bir dopant girerken Esasen, bu ucuna yaklaştıkça, bu hareket sensörü devresi 5 ile tespit edilir ucunda, üzerinde daha fazla görüntü şarj neden olur. Benzer şekilde, şarj çıkar dopant olarak, ucunda görüntü ücret azalır. Dolayısıyla, uyarma gerilimine yanıt olarak, periyodik olarak şarj sinyali tespit edilen sinyalin - esas olarak bu kapasite olup, bu nedenle bu ölçüm genellikle sistemin CV özelliklerinin belirlenmesi olarak adlandırılır.
çadır "> kapasitans ölçümü sırasında, sadece net tünel temel iletken ve dopant tabakası arasında -. doğrudan ucuna şarj asla tüneller ölçüm sırasında veya ucundan tünel doğrudan eksikliği bu arasında önemli bir fark teknik ve daha tanıdık tarama tünelleme mikroskobu, her ne kadar çok bu sistem için donanım taramalı tünelleme mikroskobu bu esasen aynıdır. Bu SCA görüntüleme statik yük doğrudan duyarlı değildir dikkat etmek de önemlidir. statik yük incelenmesi için dağılımları, Kelvin prob mikroskobu veya elektrostatik kuvvet mikroskobu tarama uygun da iyi elektronik ve mekansal çözünürlüğe sahip yerel elektronik davranış var incelenmesi için ek kriyojenik yöntemler;. örneğin, tek elektron transistör mikroskobu şarj dakika tespit yeteneğine sahip başka bir tarama probu yöntemdir SCA görüntüleme ilk etkileri 4,10. olduTessmer, Glicofridis, Ashoori, ve iş 7 tarafından MIT'de geliştirilen, dahası, burada açıklanan yöntem Ashoori ve iş 11 tarafından geliştirilen Tek Elektron Kapasite Spektroskopisi yöntemi bir tarama prob versiyonu olarak kabul edilebilir. Ölçüm temel unsurlarından yüksek elektron hareketliliğine sahip transistör (HEMT) kullanarak zarif duyarlı şarj-algılama devresi 5,12 değil, 0,01 elektron / Hz gibi düşük bir gürültü seviyesi elde edebilirsiniz ½ 0.3 K, kriyostat baz sıcaklığı Referans 5. Böyle bir yüksek hassasiyet yeraltı sistemlerinde tek elektron şarj gözlem sağlar. Bu yöntem, bir düzlem geometri 2 10 15 m -2 sırasına tipik dopant alan yoğunlukları ile, yarı iletkenler güçlendiricilerin tek tek veya küçük gruplar elektron veya delik dinamikleri çalışma için uygundur. Deneyin bu tipi için tipik bir örnek bir yapılandırma bir örneği Şekil 1'de gösterilmiştirSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOKOL
- Mikroskop ve elektronik başlangıç kurulumu
- Ilişkili kontrol elektroniği ile bir kriyojenik özellikli tarama prob mikroskobu ile başlayın. Araştırma için kullanılan mikroskoplar burada uzak rampaları 13 (onları için önyargı gerilim iletimi sağlamak için bakır, pirinç veya paslanmaz çelik gibi bir iletken malzemeden yapılmış boyunca ucundan doğru örnek "yürüyüş" için atalet çeviri kullanımı ve tarif Şekil 2'de şematik olarak gösterildiği gibi bir dizayn Besocke STM 14 bir parçası olarak, örnekleme).
- Önyargı gerilim ve tünel mevcut koaksiyel kablo ek olarak, hassas ücret tespiti için kriyojenik amplifikatör devresi çalışabilmesi için mikroskop ucu alanı yakınında için elektronik raf uzanan en az iki diğer koaksiyel kablo ve bir topraklama kablosu sağlar. Referanslar 5, 12, ve 15 'de detaylı olarak tarif edilen amplifikatör devresi elemanları monte bu e yerleştirilmiştirlectronics raf, bu Şekil 2 'de gölgeli bir kutu dış devresinin bir bölümüdür. Devrenin bu bölümü, deney boyunca oda sıcaklığında devam edecektir.
- Ucu ve HEMT devre (Şekil 2'de gölgeli kutu) için montaj çip monte; HEMT devre optimal enerji çözüm üretmek için kriyojenik sıcaklığı düşürülür.
- Cleave bir kare çip yaklaşık 1 cm bir yazıcı kullanarak GaAs gofret x 1 cm büyüklüğünde, sensör devresi ve bahşiş bu yonga üzerine monte edilecektir. Mevduat GaAs çip üzerine shadowmask ile bir titanyum yapışmasını tabakasının üstüne altın yaklaşık 100 nm birkaç altın yastıkları, her, x 1 mm yaklaşık 1 mm boy HEMT ve kutuplama dirençten teller bağlı olacak hangi oluşturmak için. Tamponların boyutları önemli değildir.
- Çapraz kesiciler kullanarak Ir tel: mekanik bir 80:20 Pt keserek keskin STM ucu hazırlayın. Ucu da kimyasal aşındırma O yolu ile hazırlanabilirr başka yöntem veya ticari olarak satın alınabilir. Taramalı elektron mikroskobu ile ucu eğrilik yarıçapı belirleyin, eğrilik yarıçapı deney için gerekli olan uzaysal çözünürlüğü sırasını olmalıdır.
- Kriyojenik sıcaklığa dayanıklı iletken epoksi kullanarak altın yastıkları her üzerine epoksi bir altın tel, bu telleri mikroskop koaksiyel kablo için montaj çip üzerindeki devre elemanlarını bağlayacak. Altın telleri kolayca yastıkları üzerine onlar gerekli değilse bir sonraki adım, epoksi birkaç gereksiz altın telleri sonra kaldırılabilir beri. Epoksi HEMT, kutuplama direnç ve çip montaj GaAs üzerine STM ucu. Ürün bilgi formu belirtildiği gibi epoksi Cure. (Ayrıntılar için aşağıdaki malzemelerin tabloya bakın.)
- Altın tel, bağ yüklü bir tel bağlayıcı kullanarak kaynak, drenaj ve GaAs çip üzerinde altın yastıkları ayırmak için HEMT kapısı elemanları. Kapısı ve kaynak o bağlantı Bond geçici telleriKapının sağlamak için R boşaltma yastıkları kaynak drenaj kanalı ile ilgili tahsil haline gelmez. HEMT işlenirken ek güvenlik için bir topraklama şeridi kullanın, bu HEMT yok edebilecek sokak statik yük almaktan kaçınması için önlemler almak önemlidir.
- Kapısı ve elektriksel olarak kısa devre HEMT önlemek için birbirine bağlı HEMT kaynağı boşaltma kanalına bağlı teller ile hazırlanan montaj çip saklayın. Önceki adımda belirtilen geçici telleri kaldırıldı varsa, yavaşça birlikte teller bükün. Bu birbirine tüm kabloları bağlamak için basit olduğunu.
- Mikroskop için montaj çip takın.
- Bu HEMT ve kapısı ve kaynak-drenaj kanalları arasında yıkıcı şort önlemektir, kapı ve kaynak-drenaj kanalları yüzen asla emin olun. Çip teller lehim olacak için mikroskop koaksiyel kablo topraklayın.
- Yapıştırın t üstünde montaj çipŞekil 2'de gösterildiği gibi, o piezotube tarama.
- Lehim montaj çip indiyum lehim kullanarak ilgili koaksiyel kablo uzanan altın teller.
- Elektronik raf de koaksiyel kablo bağlı bir eğri izleyici kullanarak HEMT bütünlüğünü kontrol edin. Esasen, eğri izleyici kaynak-boşaltma akım-voltaj karakteristikleri gösterir. En yaygın hata modu HEMT kapı ve kapı gerilimi duyarsız kaynak drenaj özellikleri ile sonuçlanır kaynağı-drenaj kanalı, arasında bir kısa.
- Örnek monte edin. Örnek başarıyla ucu yaklaşım olacaktır sağlamak için STM modunda yapılandırılmış mikroskop ile aralığı içine yürüyün.
- Akım ölçümleri tünel STM için kullanılan amplifikatör için tel T bağlayın, ve (tüm bağlantılar elektronik raf yapılmaktadır.) Tel B. için DC ön gerilimi V DC eklemek
- Örnek ve bahşiş tünel aralığında kadar yürümek. Ne zaman ra içindenge, tarama piezotube tarama piezotube topraklama ucu kendi içinde menzilli uzantısı geri neden olur, böylece denge konumundan biraz genişletilmiş kalmalıdır. Bu örnek başarıyla ucu yaklaşım doğrular. Bir sonraki eylemler sırasında ucu korumak için, bu yaptıktan sonra aralık dışında yürümek.
- Nihai düşük sıcaklık işlemi için laboratuar masa üstü arasındaki Dewar mikroskop aktarın. Bu noktada, test aşamasında tam ve deneysel aşamada başlayabilirsiniz.
- Birkaç microtorr bir vakum için mikroskop dışarı pompalamak. Kriyostat için el kitabında belirtilen prosedürü izleyerek, optimum enerji çözümü için aşağıda 4.2 K ya da mikroskop soğutun.
- Baz sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra, mikroskop, mikroskop yeterli bir süre ısı dengesine ulaşmasına izin verilmesi; aynı alanda çok kez, uzun taramalar olacak, çünkü bu ısı kayması en aza indirmek için önemlidir. (Drift olanörnek ile ilgili ucunun denge pozisyonunda bir kayma).
- Mümkün olduğu kadar binaya mekanik bağlantı ve vakum pompaları ve mikroskop ve Dewar bağlı bulunan diğer cihazların bağlı titreşimlerinden izole etmek için mikroskop Dewar askıya alınması. Bu Referans 15 deki gibi, ya da hava yay ya da benzeri bir yöntem kullanılarak, bir bungee kablosu süspansiyon sistemi kullanılarak yapılabilir.
- Mikroskop Soğuduktan sonra ve veri toplama başlamadan önce, yine eğri izleyici kullanarak HEMT bütünlüğünü doğrulamak.
- Tünel (STM) modunda örnek tarayın.
- Aralığı içine yürüyün. Enkaz gelen ve önemli yüksekliği veya iletkenlik değişimleri arınmış numune yüzeyinin bir bölge bulun ve ucu kararlı olduğundan emin olun.
- Örnek herhangi eğilmelerini düzeltmek, kapasite taramaları geri besleme döngüsü devre dışı ile yapılabilir, çünkü bu özellikle önemlidir, bu nedenle ucu yüzeye çökmesine eğer scannING düzlemi numunenin yüzeyine paralel değildir. Prensip olarak, bir ucu tarama sırasında sabit bir kapasite sağlamak için geri besleme ile kapasite sinyal kullanabilirsiniz, ancak, uygulamada, sinyal geri besleme kullanılıyorsa, bir kaza önlemek için yeterince güçlü değildir.
- Bu ucu ofset konumlandırma ile telafi edilebilir, böylece herhangi bir termal sürüklenme dikkat edin. Tünel modunda aralığında, temas noktası olarak bu protokolde belirtilen süre ucunun uzantısı miktarı not edin.
- Örnek bir soğukkanlı alan, STM modunda taranan değildi bir taşı.
- STM denetleyicisi geri besleme döngüsü devre dışı bırakın. Geri besleme döngüsü devre dışı bırakıldığında, ucu el hareketleri yanlışlıkla bir çökmesine neden olabilir hatırlayın. Ucu hareket ederken büyük bir dikkatle bu nedenle alınmalıdır.
- Ucu dokunmatik noktadan nanometre birkaç on geri çekin.
- Örnek WHI yakındaki bir alana ucunun lateral pozisyonda ofsetch son günlerde hiçbir tedirginlikler (örneğin yarı iletken dopant sitelerin şarj olarak) STM tarama için yarı iletken örnek üzerinden tünel sağlamak için gerekli ön gerilimin neden olabilir önlemek için, taranan olmamıştır.
- Denge uzantısı ucu değiştirme Dokunma noktasına büyüklüğü yakın kadar dikkatli bir yüzeye doğru ucu uzatmak.
- Kapasite moduna kablolama yapılandırma geçin.
- HEMT korumak için koaksiyel kablo topraklayın.
- Ilgili gerilim kaynakları ve dirençler için ve koaksiyel kablo bağlayın kilit-amplifikatör ve fonksiyon jeneratörü, Şekil 2'de gösterilmiştir.
- Tüm gerilim kaynakları açın. HEMT şok önlemek için, 0 gerilim kaynağı çıkışı ile başlayan V.
- Unground koaksiyel kablolar, kapı ve HEMT korumak için mümkün olduğunca uzun süre birbirine bağlı HEMT kaynağı-drenaj kanalı tutmak için hatırlamak.
- V ayarlayıngerilim bölücü direnç üzerine voltajlı kaynağı (tel D).
- V ayar ayarlanması sırasında bir multimetre ile tel L üzerindeki gerilim izleyerek en hassas bölgeye HEMT ayarlayın. Sonra kilit-amplifikatör için tel L takın.
- Üzerinde in-faz sinyal kadar V ayar artırın kilit-amplifikatör artar ve plato başlar, ucu uygulanan gerilim V ayar, rekor bu değer. Bu tel L. sızan yerine HEMT gitmek için ölçüm tüm şarj sağlar
- Iç faz Optimize kilit-kendi autophase yetenek ve kayıt faz değeri kullanarak amplifikatör.
- Anlamlı termal etkiler (bu genellikle iki saat kadar sürer) olmadığından emin olmak için stabilize etmek HEMT bekleyin.
- Sadece ilgi sinyal kilit-amplifikatör gider sağlamak için standart kapasitör üzerindeki sinyal ayarlayarak HEMT Denge. Üzerindeki sinyal Ayarlarstandart kondansatör ya V denge genlik veya V denge ve V uyarma arasındaki göreli faz için yapılabilir. HEMT dengeli olarak kabul edilir ne zaman in-faz sinyal kilit-amplifikatör prosedürün bu aşamada en aza indirilir.
- Tarama şarj birikimi görüntüleme gerçekleştirin.
- Örnek DC ön gerilimi V DC ayarlayın.
- Referans olarak temas noktası kullanarak, yüzeyin 1 nm içinde için ucu uzatın.
- Çıkışını kaydedin kilitli veri toplama yazılımı kullanarak amplifikatör, bu ilgi sinyaldir.
- Örnek tarayın. Iyi bir çözünürlük elde etmek için, taramalar her piksel için yeterli sinyal ortalama izin vermek ve görüntünün bitişik piksel arasında sinyal bulaşması önlemek için tarama başına birkaç saat oranında elde edilecek gerekebilir. Birkaç aynı alan üzerinde tarama ve ortalama bu sinyal-gürültü oranını artırmak için birlikte tarar gerçekleştirin.
- Önceki adımda sırasında edinilen sorumlu birikimi görüntü ilgi bir yeraltı özelliği üzerinde sabit ucu ile kapasitans (CV) spektroskopisi gerçekleştirin.
- Rampa V DC ve çıkış kayıt kilitli veri toplama yazılımı kullanarak amplifikatör.
- Sinyal-gürültü oranını artırmak için aynı yerde birkaç kapasite vs gerilim (CV) eğrileri ve birlikte ortalama bu eğrileri alın. Tipik olarak, bir kaç eğriler birlikte ortalaması alınır. Ortalama eğriler için taramalar sırasında sürüklenme potansiyeli sinyal-gürültü oranı, geliştirir ise, ardışık tarama sadece bir avuç birlikte ortalama edilmelidir.
- Tünel (STM) moduna dönün.
- Kendi denge uzantısı ve yeniden STM için elektronik ucu geri çekin. Geri besleme döngüsü yeniden etkinleştirmek ve ucunun uzantısı (temas noktası)-aralığında mevcut kaydedin.
- Üst özellikleri aramak için tünel modunda alan taramakapasitans görüntüleme ve kapasitans spektroskopi eserler yarattı olabilir graf yok.
- Başvuru 9 ve Referans 1 destekleyici bilgiler takip, veri analiz etme ve yorumlama.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Başarılı bir ölçü göstergesi baş çok diğer tarama prob yöntemlerde olduğu gibi, yeniden üretilebilirlik olup. Tekrarlanan ölçümler bu nedenle çok önemlidir. Nokta kapasitans spektroskopisi için, aynı yerde arka arkaya birçok ölçümler alarak sinyal-gürültü oranı artırmak ve sahte sinyaller belirlemeye yardımcı olur.
Ilgi çekici bir özelliği, yük birikiminin görüntü içinde tespit edilmiştir ve kapasitans spektroskopisi gerçekleştirildikten sonra, CV verilerin yorumlanması gerilim kolu belirlenmesi ile başlar. Voltaj kolu uygulanan V DC'ye dopant bulunduğu yerde gerçek potansiyeli ile ölçekli bir faktördür. Bu aslında dopant tabakadan ucunun da sıfırdan farklı bir mesafe boyunca ve doğrudan ucu altındaki pozisyonu dopant arasında herhangi bir yanal çıkıntı oluşturmaktadır. Gerilim kolu CV spektroskopisi verileri 1,8 bir Lorentz fonksiyonu takarak bulunur </> Sup. Mutlak bir voltaj skalası isteniyorsa, temas potansiyeli (örnek herhangi bir elektrik alan çizgileri ucunda sona hangi voltaj) bir Kelvin prob ölçüm 1,2,3,7 üzerinden tespit edilmelidir.
Şekil 3 (a) belirtilen bir noktada alınan CV spektroskopisi ile bir yük birikiminin resmin bir örneğini göstermektedir. Örnek 15 nm yüzeyinin altında bir delta-katkılı katmanda 1,7 x 10 15 m -2 bir alan yoğunluğu ile bor alıcıları ile katkılı silikon, oldu. Parlak renkler şarj artış olduğunu gösterir. Parlak noktalar tek tek yeraltı bor atomların yerini işaretleme olarak yorumlanır. Mavi nokta, Şekil 3 (b) 'de gösterildiği alanına CV spektroskopisi 1 gerçekleştirildi belirli bir parlak nokta gösterir. En büyük pik şarj doğrudan ucu aşağıdaki dopant giren üzere yorumlanır. Yakın zirveleri yakın dopants kaynaklanmaktadır. Onların merkezleri değiştirdi ve genlik de vardırucundan bu güçlendiricilerin artan mesafe kendi kol parametreleri değiştirdiği için ana zirve ile ilgili buruşuk. Tepe esas dört etkileri ile voltaj ekseni boyunca genişletilmiştir: (1) kolu (2) termik genişletilmesi, ikaz geriliminin (3), genlik ve kilit-amplifikatör (4), çıkış filtresi. Kaplanmış modeli eğri 1 ve veri arasındaki iyi bir uyum gösterdiği gibi bu etkileri, model muhasebeleştirilir.
Şekil 4 (a) ve 3 (b) Şekil l'e benzer bir şarj tepe bir dizi gösterilmektedir. Bu durumda, örnek 60 nm yüzeyinin altında bir delta-katkılı tabakada 1.25 x 10 -2 16 m arasında bir alan yoğunluğuna sahip silikon donör ile takviye edilmiş, GaAs, oldu. Yüksek dopant yoğunluğu nedeniyle, bu deneyde spektroskopik özelliklerin çoğunu tane elektron grupları yansıtmaktadır. Peaks montaj ile tanımlanır, bir şarkı atfedilebilecek olarak bir tepe yorumlanmasıle elektron tek elektron yoğun beklenen formu şekil ve büyüklük olarak tutarlılık gelmektedir. Tek elektron zirvelerinden bir avuç kırmızı ok ile gösterilir biri bu deney 2, içinde çözüldü. Şekil 4 (b) ve 4 (c) Bu tepe odaklanmak, bunun için bir tek beklenen şekle sahip olduğunu gösteren elektron etkisi. Şekil 4 Uygun (c) yukarıda tarif edilen tepe genişletilmesi etkilerinden oluşmaktadır fonksiyonları ile convolved bir yarı-elips 16'dır. Tepe merkezi ve kol: Bu uyum iki serbest parametresi vardır. Şekil 4 üç CV eğrileri (b) aynı özelliğini sıralı spektroskopi ölçülerdir. Şekil 4, verilerin içinde dağılım miktarı (B) tipik olarak, sonuç olarak birden CV eğrileri yapıyor neden daha kolayca tanımlanabilir tepe yapısı bölgesi (a), Şekil 4 'de yapılan, birlikte çeşitli eğrileri ortalamaAynı özellik, sinyal-gürültü oranı geliştirmek için çok önemlidir.
Şekil 1. Tipik örnek şematik. Tarama-prob tek elektron kapasite deneyler için tipik bir örnek şematik. Örnek eğilim ve uyarma gerilimleri uygulanır yüzeyinden olan, bilinen bir derinlikte, altta yatan bir iletken tabaka ile bir yarı iletkendir. Güçlendiricilerin iki boyutlu bir tabaka yüzeyinden bilinen bir derinlikte de yerleştirilmiştir. Elektronlar sistemin kapasitans değişen ve şarj duyarlı cihazları ile ölçülür ucu bir görüntü şarj neden olan, bir iletken katmanı ve dopant tabaka arasında bir tünel. Bir yeterince yüksek ön gerilimi dopant tabakası ve bir yüzey devlet de, e arasındaki tünel elektron sağlayacakSTM tarafından yüzeyde kendi algılama nabling.
Şekil 2. Mikroskop ve Şarj algılama Aparatı şematik. Referans 5 açıklanan ve Referans 12 dayalı amplifikatör için devre şeması. Montaj çip rampaları 13 ve örnek (ölçekli değildir) ile bir Besocke-tasarım 14 tarama prob mikroskobu şematik bir yer gösterilir. Tel B ve yeraltı dopants gelen tünel teşvik için kullanılan AC uyarma gerilimi de dahil olmak üzere, örnek besleme gerilimi sağlar. Tel C standart kapasitör ve HEMT dengeleme izin ayarlanabilir AC gerilim kaynağı bağlanır. Tel L D av oluşturmak için bir direnç ile bir gerilim kaynağı bağlanır kilit-amplifikatör kapasite sinyal kaydedilir hangi ve tel bağlanırvoltajlı bölücü, gerilim bölücü çıkışını kilit-amplifikatör gönderilen sinyaldir. Kapasitans ölçümleri sırasında, tel T Bu yol aşağı sızıntı ucunda AC şarj önlemek için büyük bir direnç üzerinden ayarlanabilir bir gerilim kaynağı bağlanır. (STM) modu tünel olarak, tel T tünel mevcut tel (kendi gerilim kaynağı bağlantısı ile), tel B DC gerilim kaynağına bağlı kalır, ve diğer tüm kabloları topraklı olur. Tel D gerilim bölücü direnç için tipik bir seçim +1,25 V. standart kapasite seçimi yaklaşık 20 fF kalan arka planı ucu-örnek karşılıklı kapasite, karşı olmalıdır tel D bir gerilim ile 100 k olduğunu. Tel T kutuplama direnci MQ 20 mahallede olmalıdır. Bu seçimler en hassas rejimine HEMT kaynak drenaj kanalının direnç ayarlamak hedefliyoruz.
Src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" / "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg">
Şekil 3,. Alıcı-katkılı Si SCA Resim ve CV Spektroskopisi alan yoğunluğu 1.7 bor alıcıları bir tabaka ile katkılı bir silikon örnek (a) Tarama şarj birikimi görüntü x 10 yüzeyinin 1 altında 15 m -2 bulunan 15 nm;. V DC = 75 mV, V uyarma = 3.7 mV, sıcaklık oldu 4.2 K. (b) CV spektroskopisi (a) mavi nokta ile gösterilir geldiğimiz noktada satın aldı. Tepe yapısı odaklanmak için, bir arka plan çizgi çıkarılmıştır. Sıfır en büyük tepe ortasına gelecek şekilde gerilim ölçeği kaymıştır olmuştur, herhangi bir Kelvin prob ölçüm mutlak gerilim ölçeği belirlemek için bu deney sırasında yapılan bu yana, bu ofset kolaylık meselesidir.
load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Şekil 4. . Donör-katkılı GaAs üzerinde CV Spektroskopisi Analizi (a) CV spektroskopi alan yoğunluğu 1.25 x 10 16 silikon bağış m 60 nm yüzey 2 altında bulunan -2 tabakası ile katkılı, GaAs tarihinde satın alınmıştır; V uyarma = 15 mV; sıcaklık kırmızı ok daha araştırılmıştır bir tepe işaretleri 0,3 K. idi (b) (a) tepe merkezli gerilim ile belirtilen tepe daha detaylı bireysel CV spektroskopisi ölçümleri;.. V uyarma = 3.8 mV (c) Birden eğrilerinin ortalama veri (b) 'de gösterilmiştir. Kol, termal, uyarma gerilimi genliği ve çıkışını filtre kilit-amplifikatör genişletilmesi:. Zirve genişletmek dört efektler için yeşil gösterilen uyum, hesapları (B) ve (c) (a), üzeri kapasite değere dönüştürme C = ΔQ ucu / V uyarma yapılmamıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu deneysel yöntem için kuramsal temelleri ayrıntılı bir açıklama Referanslar 8 ve 9'da verilen ve Referans 2 yeraltı güçlendiricilerin senaryoya göre tartışılmıştır, burada sunulan genel bakış bu nedenle kısa ve kavramsal olacaktır. Bir ucu bir kapasitör plaka ve örnek diğer levha ihtiva yatan iletken tabaka olarak kabul edilir. DC gerilim uygulanırsa şekilde elektron ucuna doğru çekilir, ve ek bir ücret alabildiği temel iletken tabakası ve ucu arasında yer alan dopant atomu varsa, daha sonra elektron dopant girecek ve dolayısıyla daha yakın olsun ucu. Elektrostatik itibaren, bu elektron hareketi ucunda zıt işaretli bir görüntü ücret neden gerekir. DC gerilim içine toplanır sinüs uyarma voltajı (V uyarma) elektron yüzey tabakası ve dopant arasında rezonansa neden olur. Buna karşılık, görüntü w ücretlerihasta da yankı, HEMT kullanan hassas şarj algılama devresi tarafından tespit ve daha fazla bir kilit-amplifikatör ile yükseltilir bir AC sinyali verir. Bu şarj sinyal daha sonra bir kapasite dönüştürülebilir.
Bu deney en yaygın hata modu hassas şarj algılama sağlar HEMT devresine zarar içerir. HEMT kapısı çok küçük olduğu için, daha küçük bir statik birikim genellikle kaynak drenaj kanal ve kapı arasında kısa bir şeklinde, HEMT bir yetmezliğine neden olabilir. Bir HEMT kısa ise, tek elektron kapasite ölçüm yerine olmadan devam edemez. Zaman kayda değer bir miktarı genellikle özellikle baz sıcaklığına mikroskop soğuma, deney hazırlanmasında harcanan olduğundan, bu deneyler için kullanılan HEMT bağlayarak ya, kapı ve kaynak-drenaj kanalları yüzen asla olmasının sağlanması ile korunmalıdır bunlar her bir diğer yol açar (when çip üzerinde küçük altın teller) ile ya da (koaksiyel kablo bağlantıları ile çalışırken) topraklama ile çalışan. Ekstra önlemler düpedüz bu kısa devre ile veya ücretleri yakalamak için neden olarak ya bir HEMT berbat edebilir deneycinin kişiden hatta hafif statik yük olarak, özellikle kuru havalarda, montaj çip ya da mikroskop donanım taşıma sırasında bir topraklama kayışı giyerek alınabilir Oldukça stabilize hiç bir şekilde. HEMT sağlığı hakkında şüphe, bir uygulamalı geçit gerilimi (genellikle "fan" olarak adlandırılır) ile kaynak drenaj özellikleri beklenen varyasyonları aramak için bir eğri izleyici kullanmalısınız eğer.
Montaj çip üzerinde altın pedleri boyutları da devresine fazla kapasite bağlantısı önlemek için bir milimetreden daha küçük başarılı bir tel bağlama olanak sağlamak için yeterince büyük olan, ancak koşuluyla, büyük öneme sahip değildir. HEMT veya ucu takmadan önce, bir test bağ başka bi yapmak yararlı olabilirBurada montaj çip üzerinde yapıştırma bu çip üzerinde çalışmak için beklenebilir ne kadar iyi test etmek. Montaj çip üzerinde fazladan birkaç altın yastıkları dahil olmak üzere de yararlı olabilir çip durumunda bölümünde çip üzerinde diğer bölgelere göre bağ daha müsait olabilir. Yapıştırma işlemi yastık altın örneklerini çekerek görünüyorsa metal tabakalar aşağı atıldı ya da altın yaşla birlikte bozulmuş olabilir önce, GaAs çip yeterince temiz olmayabilir. Tel bağlayıcı kullanılan ultrasonik güç azaltılması bu durumda yararlı olabilir.
Indiyum lehim nedeniyle kriyojenik sıcaklıklarda iyi özellikleri koaksiyel kablo için altın yol takmak için kullanılır. Benzer şekilde, GaAs kendisi GaAs tabaka üzerine yerleştirilmiş HEMT bölgesi, termik daralma ile indüklenen gerilim oluşmasını önlemek için montaj çip için malzeme olarak kullanılır. GaAs bir piezoelektrik malzeme olduğu için, alt-tabaka üzerine mekanik bir gerilme kısa ve buna bağlı olarak bozulmasına neden olabilirHEMT.
Referanslar 1 ve 2'de deneylerde kullanılan yarı iletkenler, örnek yüzeyi STM gibi sistem kullanılarak görüntülenebildi. Cihazın STM modunda yapılandırılmış zaman Yani, elektron gerçekten ucu doğrudan tünel olabilir. Bu yüzeye ucu çökmesini olmadan örnek yakın ucu getirmek için bir yol sağlar gibi bu çok yararlıdır. Birkaç volt için birkaç sırasını bir önyargı gerilim istikrarlı bir tünel mevcut kurmak için gereklidir. Yeterince yüksek bir önyargı gerilim ile, ücretleri yüzeyde ücretten bir iletken su birikintisi oluşturmak için örnek yalıtım bölgeler arasında temel iletken tabakasından çekilecektir; ucu taranır bu su birikintisi ucu takip edecek. Bu nedenle yüzey sadece standart STM olarak görüntülenebilir. Modu tünel sonraki ölçümler için elektronik hasara neden olabilir. Örneğin, potansiyel ima için gerekli olan büyük ön-gerilim voltajlarında etkilenmesi için örnek için varge yüzeye yakın kusurları bir olasılıkla neden olan, tünel modunda örnek yarı iletken geçici şarj. Bunu çözmek için, bir büyük gerilim kaldırabilirsiniz ve protokol açıklandığı gibi, (genellikle geribildirim kullanmadan) birkaç yüz nanometre uzak bir bölgeye ucu ofset. Alternatif olarak, numune zarar varlığında CV spektroskopisi gerçekleştirerek veya Kelvin prob ölçümü 2 yaparak tespit edilebilir.
Deney geometrisi belirli özellikleri örnek gelişiminde olması hedeflenmelidir anlamına gelir. Bir aşırı kalın bir tabaka dopant manivela kolunun hareketinin belirlenmesi için belirsizlik katacak tünel yönü boyunca dopant tabaka lokalizasyonu, önemlidir. Diğer bir deyişle, dopant tabakasının kalınlığı kadar yakın tek bir atomik düzleme mümkün olmalıdır. Bu düzenleme olarak adlandırılır "delta doping." Örneğin, Referans 1 deki deneyde, dopant tabaka yaklaşık 2 nanom oldukalın eterler.
Ilgi kapasitif özellikleri bulmak için yapılan başarılı şarj birikimi görüntüleme taramaları birkaç saat sipariş üzerine bazen bir miktar zaman alabilir. Hızlı tarama ile ilgili olarak, görüntünün her piksel V uyarma çeşitli dönemlere karşılaştırılabilir zaman bir miktar almalıdır, ve çıkış filtresi kilit-amplifikatör piksel başına zaman yaklaşık olarak aynı değere ayarlanmalıdır. Birkaç dakika STM tarama boyunca fark değildi mikroskobunda Drift ölçüde-daha uzun süreli şarj birikimi görüntülerin bulaşması katkıda bulunabilir.
Bir tünel için ve kapasitans deneyler için kullanılan aynı ucu ilgili ölçüm mekanizmalarının mesafe bağımlılığı nedeniyle farklı etkili bir şekle sahip olacaktır. Tünel iyi bir yaklaşım için, mesafe üzerine katlanarak bağlı olduğu için, sadece tek bir ipucu atom akımın en alacaksınız. Bu nedenle incinanometre ölçekte ucu e şekli tepe mekanik olarak dayanıklı olduğu sürece, daha çok ilgisi yoktur. SCA görüntülemede, aksine, ucunda tespit şarj kapasite nedeniyle, kabaca konuşma, bu mesafe ve ucu daha yüksek kısımları gerçekten sinyal önemli bir kısmını alabilir ile ters orantılıdır. Bu ucu eğrilik yarıçapı nanometre ölçekli elektrostatik kapasite ölçüm teknikleri için uygun olduğu anlamına gelir. Uzamsal çözünürlük ödün vermeden sinyalinin genliği en üst düzeye çıkarmak için, uç yarıçapı yüzeyinin altında 8,9 dopant tabakasının derinliği yaklaşık olarak eşit olmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarının olmadığını beyan ederim.
Acknowledgments
Burada tartışılan Araştırma Kuantum Bilimler Michigan State Üniversitesi Enstitüsü ve Ulusal Bilim Vakfı DMR-0305461, DMR-0906939, ve DMR-0605801 tarafından desteklenmiştir. KW Eğitim GAANN Disiplinlerarası Bioelectronics Eğitim Programı dostluk bir ABD desteği kabul eder.
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).
