Summary
Spectroscopie de capacitance à électron unique sonde à balayage facilite l'étude du mouvement à un seul électron dans les régions souterraines localisées. Un circuit de charge-détection sensible est incorporé dans un microscope à sonde à balayage pour étudier cryogénique petits systèmes d'atomes de dopant sous la surface d'échantillons de semi-conducteurs.
Abstract
L'intégration des techniques de sonde à balayage à basse température et de la spectroscopie de capacité à électron unique représente un outil puissant pour étudier la structure électronique quantique de petits systèmes - y compris dopants atomiques individuelles dans les semi-conducteurs. Nous présentons ici une méthode basée sur la capacité, connue sous le nom de charge du sous-sol Accumulation (SCA) d'imagerie, qui est capable de résoudre charge à électron unique, tout en réalisant une résolution spatiale suffisante pour images dopants atomiques individuelles. L'utilisation d'une technique de capacité permet l'observation des caractéristiques du sous-sol, tels que les dopants enterrées plusieurs nanomètres sous la surface d'un matériau semi-conducteur 1,2,3. En principe, cette technique peut être appliquée à n'importe quel système pour résoudre mouvement des électrons sous une surface isolante.
Comme dans d'autres techniques numérisé-sonde de champ électrique sensibles à 4, la résolution spatiale latérale de la mesure dépend en partie du rayon de curvature de la pointe de la sonde. Utilisant des bouts avec un faible rayon de courbure peut permettre une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Cette résolution spatiale fine permet enquêtes sur les petits numéros (à un seul) de dopants subsurface 1,2. La résolution de charge dépend fortement de la sensibilité du circuit de détection de charge; utilisant des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) dans ces circuits à des températures cryogéniques permet une sensibilité d'environ 0,01 électrons / Hz ½ à 0,3 K 5.
Introduction
Accumulation imagerie de charge du sous-sol (SCA) est une méthode à basse température capable de résoudre les événements de charge à électron unique. Lorsqu'elle est appliquée à l'étude des atomes dopants dans les semi-conducteurs, la méthode peut détecter des électrons individuels entrant donneur ou accepteur atomes, permettant la caractérisation de la structure quantique de ces systèmes minute. En son cœur, l'imagerie SCA est une mesure de la capacité locale 6 bien adapté pour un fonctionnement cryogénique. Parce que la capacité est basée sur un champ électrique, c'est un effet à long terme qui peut résoudre charge sous les surfaces isolant 6. Opération cryogénique permet d'étudier de mouvement à un seul électron et de l'espacement de niveau quantique qui seraient insolubles à température ambiante 1,2. La technique peut être appliquée à n'importe quel système dans lequel le mouvement des électrons sous une surface isolante est important, y compris la dynamique de charge dans les systèmes d'électrons bidimensionnel aux interfaces enterrées 7; par souci de concision, l'accent sera mis sur l'étude des dopants de semi-conducteurs.
Au niveau le plus schématique, cette technique traite la pointe numérisée comme une plaque d'un condensateur à plaques parallèles, bien que l'analyse réaliste exige une description plus détaillée de rendre compte de la courbure de la pointe 8,9. L'autre armature de ce modèle est une région échelle nanométrique de la couche conductrice sous-jacente, comme indiqué sur la figure 1. Pour l'essentiel, comme une charge entre un dopant en réponse à une tension d'excitation périodique, il se rapproche de la pointe, ce qui induit un mouvement plus l'image chargée sur la pointe, qui est détectée par le circuit de détection 5. De même, comme la charge de quitter le dopant, la charge d'image sur la pointe est diminuée. Ainsi, le signal de charge périodique en réponse à la tension d'excitation est le signal détecté - il s'agit essentiellement capacité, donc cette mesure est souvent désigné comme la détermination des caractéristiques CV du système.
tente "> Lors de la mesure de capacité, le tunnel seulement net se situe entre la couche conductrice sous-jacente et la couche de dopant -. Ne jamais charger tunnels directement sur la pointe Le manque de tunnel ou de la pointe directe lors de la mesure est une différence importante entre cette technique et le plus familier microscopie à effet tunnel, même si une grande partie du matériel de ce système est essentiellement identique à celle d'un microscope à effet tunnel. Il est également important de noter que l'imagerie SCA n'est pas directement sensibles aux charges électrostatiques. Pour les enquêtes de charge statique distributions, la numérisation Kelvin microscopie à sonde ou la microscopie à force électrostatique est approprié méthodes cryogéniques supplémentaires pour examiner le comportement électronique local existent qui ont également une bonne résolution électronique et spatiale;. par exemple, la numérisation transistor microscopie électron unique est une autre méthode de sonde à balayage capable de détecter minute de charge effets 4,10. imagerie SCA était à l'originedéveloppé au MIT par Tessmer, Glicofridis, Ashoori, et ses collègues 7, d'ailleurs, la méthode décrite ici peut être considéré comme une version à sonde de balayage de la méthode de spectroscopie Capacité à électron unique développé par Ashoori et ses collègues 11. Un élément clé de la mesure est un circuit de charge de détection extrêmement sensibles 5,12 utilisant des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT), il peut atteindre un niveau de bruit aussi bas que 0.01 électrons / Hz ½ à 0,3 K, la température de base du cryostat en référence 5. Une telle sensibilité élevée permet l'observation de la charge à un seul électron dans les systèmes souterrains. Cette méthode est adaptée à l'étude de la dynamique des électrons ou des trous de groupes individuels ou petits de dopants dans les semi-conducteurs, avec des densités surfaciques dopants typiques de l'ordre de 10 15 m -2 dans une géométrie plane 2. Un exemple d'un exemple de configuration typique pour ce type d'expérience est illustré à la figure 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOLE
- La configuration initiale du microscope et de l'électronique
- Commencer avec un microscope à sonde à balayage cryogénique compatible avec l'électronique de commande associés. Les microscopes utilisés pour la recherche décrite ici utilise traduction inertiel à "marche" de l'échantillon vers et à distance de la pointe le long des rampes 13 (réalisé en un matériau conducteur tel que le cuivre, le laiton, ou en acier inoxydable afin de leur permettre de transmettre la tension de polarisation à l' l'échantillon) dans le cadre d'un STM conception Besocke 14, schématiquement représenté dans la figure 2.
- En plus de la tension de polarisation et les fils coaxiaux courant tunnel, fournir au moins deux autres câbles coaxiaux et un fil de masse qui s'étendent à partir de la baie électronique à proximité de la zone de la pointe du microscope afin de faire fonctionner le circuit amplificateur cryogénique pour la détection de charge sensible. Assembler les éléments du circuit amplificateur, décrite en détail dans les références 5, 12 et 15, qui sont logés sur le electronics crémaillère, ce qui est la partie du circuit en dehors de la zone ombrée sur la figure 2. Cette partie du circuit restera à la température ambiante pendant toute l'expérience.
- Assemblez le morceau de montage pour la pointe et le circuit HEMT (zone ombrée dans la figure 2), le circuit HEMT sera abaissé à température cryogénique pour obtenir une résolution optimale de l'énergie.
- Cleave une puce carré dimensionné environ 1 cm x 1 cm d'une tranche de GaAs en utilisant un scribe, le circuit du capteur et pointe seront montés sur cette puce. Dépôt d'environ 100 nm d'or au sommet d'une couche de colle de titane à travers un masque perforé sur la puce GaAs pour former plusieurs plots d'or, chaque taille d'environ 1 mm x 1 mm, dont les fils du HEMT et résistance de polarisation seront collées. Les dimensions des plaquettes ne sont pas critiques.
- Préparer une pointe STM forte en coupant mécaniquement une 80:20 Pt: fil Ir utilisant coupante diagonale. La pointe peut également être préparé par gravure chimique or une autre méthode ou peut être acheté dans le commerce. Déterminer le rayon de courbure de la pointe par microscopie électronique à balayage, le rayon de courbure doit être de l'ordre de la résolution spatiale nécessaire pour l'expérience.
- Epoxy un fil d'or sur chacun des plots d'or à l'aide de résine époxy conductrice capable de résister à des températures cryogéniques; ces fils se connectent les éléments du circuit sur la puce de fixation aux câbles coaxiaux sur le microscope. Comme les fils d'or peuvent être facilement enlevés après l'étape suivante si elles ne sont pas nécessaires, époxy à quelques fils d'or redondantes sur les pads. Epoxy le HEMT, la résistance de polarisation, et la pointe du STM sur le GaAs puce de montage. Cure de l'époxy, comme indiqué sur sa fiche d'information produit. (Voir le tableau des matériaux ci-dessous pour plus de détails.)
- Utilisation d'un dispositif de liaison de fil chargé avec fil d'or, une liaison de la source, de drain, et les éléments du HEMT pour séparer plots d'or sur la puce en GaAs à grille. brins temporaires de liaison reliant la grille et la source or plots de drain pour assurer la grille ne devient pas chargé par rapport à la voie de source-drain. Utilisez un bracelet de mise à la terre pour plus de sécurité lors de la manipulation du HEMT, il est important de prendre des précautions pour éviter d'introduire des charges statiques errants qui pourraient détruire le HEMT.
- Conserver la puce de montage préparés avec les fils attachés à la grille et à la voie de source-drain du transistor HEMT connectée électriquement à l'autre pour éviter un court-circuit du transistor HEMT. Si les fils temporaires mentionnés dans l'étape précédente ont été enlevés, tourner doucement les fils ensemble. Il est plus simple de relier tous les fils un à l'autre.
- Fixez la puce de montage au microscope.
- Veiller à ce que les canaux de grille et de source-drain sont jamais flottante, c'est pour éviter les courts destructeurs entre la grille et source-drain canaux du HEMT. Reliez les câbles coaxiaux sur le microscope à laquelle les fils de la puce seront soudés.
- Apposer la puce de montage au sommet til numérisation piézotube, comme le montre la figure 2.
- Souder les fils d'or s'étendant à partir de la puce de montage pour les fils coaxiaux pertinentes à l'aide d'indium soudure.
- Vérifier l'intégrité de la HEMT à l'aide d'un traceur de courbes reliées à des fils coaxiaux à la crémaillère de l'électronique. Essentiellement, le traceur de courbe montre le source-drain caractéristiques courant-tension. Le mode de défaillance le plus courant est un court-circuit entre la grille et le HEMT son canal source-drain, qui se traduit par des caractéristiques de source-drain qui sont insensibles à la tension de grille.
- Monter l'échantillon. Marche en série avec le microscope configuré en mode STM pour s'assurer que l'échantillon avec succès approcher la pointe.
- Reliez le fil T au préamplificateur utilisé pour les mesures de courant tunnel STM, et fixez tension de polarisation continue V DC à fil B. (Toutes les connexions sont effectuées au niveau du rack électronique.)
- Marchez jusqu'à ce que l'échantillon et la pointe sont à portée tunnel. En cas de raESN, la piézotube balayage doit rester étendu légèrement de sa position d'équilibre de sorte que la mise à la terre piézotube balayage provoque la pointe à se rétracter à partir de son extension dans la gamme. Cela permet de vérifier que l'échantillon peut réussir à s'approcher de la pointe. Sortez de gamme après avoir fait cela, pour protéger la pointe durant les prochaines actions.
- Transférer le microscope de la paillasse de laboratoire pour le vase de Dewar pour une éventuelle opération à basse température. À ce stade, la phase de test est terminée et la phase expérimentale peut commencer.
- Pomper le microscope à un vide de quelques microtorr. Refroidir le microscope à 4,2 K ou en dessous pour une résolution optimale de l'énergie, suivant la procédure décrite dans le manuel du cryostat.
- Après refroidissement, le microscope à sa température de base, laissez le microscope suffisamment de temps pour atteindre l'équilibre thermique; depuis répétées, de longues analyses de la même zone seront effectués, il est important de minimiser la dérive thermique. (Drift estun déplacement de la position d'équilibre de la pointe par rapport à l'échantillon.)
- Suspendre le vase de Dewar d'isoler le microscope le plus possible de vibrations dues à un couplage mécanique de la maison et de pompes à vide et d'autres périphériques connectés au microscope et Dewar. Cela peut être fait en utilisant un système de suspension d'un cordon élastique, comme dans la référence 15, ou à l'aide de ressorts pneumatiques ou une méthode similaire.
- Après refroidissement, le microscope et avant de tenter de collecte de données, vérifier l'intégrité du HEMT à nouveau en utilisant le traceur de courbes.
- Analyser l'échantillon en mode tunnel (STM).
- Promenez-vous dans gamme. Localiser une zone de la surface de l'échantillon qui est exempt de débris et de hauteur importante ou à des variations de la conductivité, et de veiller à la pointe est stable.
- Corriger toute inclinaison de l'échantillon, ce qui est particulièrement important parce que les analyses de capacité seront réalisées avec la boucle de rétroaction désactivé, donc la pointe pourrait s'écraser sur la surface si le scanning plan n'est pas parallèle à la surface de l'échantillon. En principe, on peut utiliser le signal de capacité avec rétroaction pour maintenir une capacité constante pendant le balayage de la pointe, mais, dans la pratique, le signal n'est pas suffisamment robuste pour éviter un accident si la rétroaction est utilisé.
- Observer toute dérive thermique de sorte qu'il peut être compensée par le repositionnement de l'extrémité décalée. Notez la quantité d'extension de la pointe alors dans la gamme en mode tunnel, dénommé dans le présent protocole comme le point de contact.
- Déplacer vers une zone non perturbé de l'échantillon, celui qui n'a pas été analysé en mode STM.
- Désactiver la boucle de rétroaction dans le contrôleur de la STM. Rappelons que lorsque la boucle de rétroaction est désactivé, les mouvements manuels de la pointe pourraient par inadvertance provoquer un plantage. Un grand soin doit donc être prise tout en déplaçant la pointe.
- Rétracter la pointe de quelques dizaines de nanomètres à partir du point de contact.
- Décalage de la position latérale de la pointe vers une zone à proximité de l'échantillon WHICH n'a pas été récemment analysés, afin d'éviter toute perturbation de charge (tels que des sites de dopant de semi-conducteur), la tension de polarisation nécessaire pour permettre à effet tunnel à travers l'échantillon semi-conducteur pour le balayage de la STM peut avoir induits.
- Précaution étendre la pointe en direction de la surface jusqu'à ce que le déplacement de la pointe de l'extension à l'équilibre est proche en amplitude à la pointe de touche.
- Commutateur configuration de câblage en mode capacitif.
- Reliez tous les câbles coaxiaux pour protéger le HEMT.
- Connecter les fils coaxiaux aux sources et résistances de tension pertinents et à la amplificateur lock-in et le générateur de fonction, comme le montre la figure 2.
- Mettez toutes les sources de tension. Pour éviter de choquer le HEMT, commencez avec des sorties de source de tension à 0 V.
- Non broyée les fils coaxiaux, sans oublier de tenir la grille et le canal source-drain du transistor HEMT reliée à l'autre aussi longtemps que possible afin de protéger le transistor HEMT.
- Réglez le vSource ension sur la résistance de diviseur de tension (fil D).
- Réglez le HEMT à sa région la plus sensible en surveillant la tension aux bornes de fil L avec un multimètre tout en ajustant V mélodie. Remettez fil L à l'amplificateur lock-in après.
- Augmenter V air jusqu'à ce que le signal en phase sur le lock-in des augmentations de l'amplificateur et commence à se stabiliser, record cette valeur de V air, qui est la tension appliquée à la pointe. Cela permet à tous les responsables de la mesure d'aller à la HEMT au lieu de fuir à travers fil L.
- Optimiser la phase interne de l'amplificateur de verrouillage en utilisant sa capacité de Autophase et enregistrer la valeur de phase.
- Attendez que le HEMT à se stabiliser pour s'assurer qu'il n'ya pas d'effets thermiques importants (cela prend souvent jusqu'à deux heures).
- Équilibrer le HEMT en ajustant le signal sur le condensateur standard pour assurer que seul le signal d'intérêt va à l'amplificateur à verrouillage. Ajustements du signal sur l'condensateur standard peut être fait soit à l'amplitude de l'équilibre V ou de la phase relative entre équilibre V et V 'excitation. Le transistor HEMT est considéré équilibré lorsque le signal en phase sur l'amplificateur lock-in est réduit à cette étape de la procédure.
- Effectuer un balayage d'imagerie à accumulation de charge.
- Régler la tension de polarisation continue V DC sur l'échantillon.
- Elargir la pointe à l'intérieur de 1 nm de la surface, en utilisant le point de contact à titre de référence.
- Enregistrer la sortie de l'amplificateur de verrouillage à l'aide du logiciel d'acquisition de données, ce qui est le signal d'intérêt.
- Analyser l'échantillon. Pour obtenir une bonne résolution, les scans peuvent être acquises à raison de plusieurs heures par balayage pour permettre suffisant moyenne du signal pour chaque pixel et pour éviter le grippage du signal à travers pixels adjacents de l'image. Effectuer plusieurs analyses sur la même zone, et ceux-ci moyenne scanne ensemble pour améliorer le rapport signal-sur-bruit.
- Effectuer spectroscopie capacité (CV) de la pointe stationnaire au-dessus d'une caractéristique du sous-sol d'intérêt dans l'image d'accumulation de charges acquises au cours de l'étape précédente.
- Rampe V DC et enregistrer la sortie de l'amplificateur lock-in en utilisant le logiciel d'acquisition de données.
- Prenez plusieurs capacitance fonction de la tension des courbes (CV) dans le même lieu, et la moyenne de ces courbes ensemble pour améliorer le rapport signal-sur-bruit. Typiquement, quelques courbes sont moyennées ensemble. Alors que les courbes moyenne améliore le rapport signal-sur-bruit, en raison de la possibilité de dérive au cours des analyses, seule une poignée de balayages successifs devrait être en moyenne ensemble.
- Revenir en mode tunnel (STM).
- Rétracter la pointe de l'extension de son équilibre et de reconfigurer l'électronique pour la STM. Réactiver la boucle de rétroaction et d'enregistrer l'heure actuelle dans de gamme prolongement de la pointe (point de contact).
- Balayer la zone en mode tunnel pour rechercher des fonctions dans le topgraphie qui peuvent avoir généré des artefacts dans l'imagerie de la capacité et de la spectroscopie de capacité.
- Analyser et interpréter les données, à la suite de référence 9 et les pièces justificatives dans la référence 1.
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Representative Results
L'indicateur principal de mesure de succès est la reproductibilité, tout comme dans d'autres méthodes de sonde de balayage. Des mesures répétées sont très importants pour cette raison. Pour la spectroscopie de points de capacité, en prenant plusieurs mesures successives, au même endroit permet d'augmenter le rapport signal sur bruit et d'identifier des signaux parasites.
Une fois une fonction d'intérêt a été identifié dans l'image d'accumulation de charge et la spectroscopie de capacité a été effectuée, l'interprétation des données CV commence par déterminer le bras de levier de tension. Le bras de levier de tension est le facteur d'échelle concernant le potentiel réel à l'emplacement de l'agent de dopage pour la V CC appliquée. Il représente essentiellement la distance non nulle de la pointe de la couche de dopant et pour tout décalage du dopant de la position directement sous la pointe latérale. Le bras de levier de tension se trouve en ajustant une fonction de Lorentz à la spectroscopie de données CV 1,8 </ Sup>. Si l'échelle de la tension absolue est désiré, la tension de contact (tension à laquelle aucune des lignes de champ électrique à partir de l'échantillon se terminent au niveau de la pointe) doit être déterminée au moyen d'une sonde de mesure Kelvin 1,2,3,7.
Figure 3 (a) montre un exemple d'une image d'accumulation de charge avec la spectroscopie CV acquis au point indiqué. L'échantillon est du silicium, dopé avec des accepteurs de bore avec une densité surfacique de 1,7 x 10 15 m -2 dans une couche à dopage delta 15 nm au-dessous de la surface. Couleurs plus lumineuses indiquent une augmentation de charge. Les taches lumineuses sont interprétés comme indiquant l'emplacement des atomes de bore sous la surface individuels. Le point bleu indique une tache lumineuse particulier où le point spectroscopie CV a été effectuée 1, comme le montre la figure 3 (b). Le grand pic est interprété à charge pénétrant dans le dopant directement en dessous de la pointe. Sommets environnants sont dues à des dopants à proximité. Leurs centres sont décalés et amplitudes deaugmenté par rapport au pic principal à cause de la distance accrue de ces dopants à partir de la pointe modifie ses paramètres de bras de levier. Les pics sont élargies le long de l'axe de tension par essentiellement quatre effets: (1) le bras de levier (2), élargissement thermique, (3) l'amplitude de la tension d'excitation, et (4) du filtre de sortie de l'amplificateur à verrouillage. Ces effets sont pris en compte dans le modèle, comme le montre le bon accord entre la courbe de modèle superposé 1 et les données.
Figure 4 (a) montre une série de pics de charge, semblable à la figure 3 (b). Dans ce cas, l'échantillon est en GaAs, dopé avec des donneurs de silicium avec une densité surfacique de 1,25 x 10 16 m -2 dans une couche à dopage delta 60 nm au-dessous de la surface. En raison de la forte densité de dopant, la plupart des caractéristiques spectroscopiques dans cette expérience reflète groupes de plusieurs électrons. Les pics sont identifiés par emboîtement, l'interprétation d'un pic comme étant attribuable à un singLe électron vient de sa cohérence dans la forme et de l'ampleur avec la forme attendue d'un pic à un seul électron. Une poignée de pics à électron unique ont été résolus dans cette expérience 2, dont l'un est indiqué par la flèche rouge. Figure 4 (b) et 4 (c) mettent l'accent sur ce pic, montrant qu'il a la forme attendue pour une seule effet d'électrons. L'ajustement à la figure 4 (c) est une demi-ellipse 16 convolution avec des fonctions tenant compte des effets de pointe élargissement décrites ci-dessus. Cet ajustement a deux paramètres libres: le centre du pic et le bras de levier. Les trois courbes CV dans la figure 4 (b) sont des mesures de spectroscopie séquentielles sur la même caractéristique. Le montant de la dispersion des données de la figure 4 (b) est typique; la moyenne de plusieurs courbes en même temps, comme cela se fait dans la figure 4 (a), les résultats dans plus de structure de pointe facilement identifiables, ce qui explique pourquoi fait plusieurs courbes CV sur lemême caractéristique est très importante pour l'amélioration du rapport signal-sur-bruit.
Figure 1. Schéma d'un échantillon typique. Schéma d'un échantillon typique de sonde à balayage expériences de capacité à électron unique. L'échantillon est un semi-conducteur avec une couche conductrice sous-jacente à une profondeur connue de la surface à laquelle les tensions de polarisation et d'excitation sont appliquées. Une couche bidimensionnelle de dopants est noyé, également à une profondeur connue de la surface. Les électrons tunnel entre la couche conductrice et la couche de dopant, en changeant la capacité du système et l'induction d'une charge image dans la pointe qui est mesurée par l'appareil de charge sensible. Une tension de polarisation suffisamment élevé va permettre aux électrons de tunnel entre la couche de dopant et un état de surface aussi bien, enabling leur détection à la surface par STM.
Figure 2. Schéma du microscope et Charge-appareil de détection. Schéma de l'amplificateur décrit en référence 5 et sur la base de référence 12. Puce montage est représenté en place sur un schéma d'une Besocke-design 14 microscope à balayage de la sonde avec des rampes 13 et l'échantillon (non à l'échelle). Fil B fournit la tension de polarisation de l'échantillon, y compris la tension d'excitation AC utilisés pour inciter tunnel vers et à partir dopants sous-sol. Fil C est reliée au condensateur standard et la source de tension alternative réglable qui permet l'équilibrage de la HEMT. Fil L se connecte à l'amplificateur de verrouillage à partir de laquelle le signal de capacité est enregistrée, et le fil D se connecte à une source de tension à travers une résistance de créer avension diviseur; la sortie du diviseur de tension est le signal envoyé à l'amplificateur de verrouillage. Lors des mesures de capacité, fil profilé en T est reliée à une source de tension réglable à travers une résistance de grande charge de courant alternatif pour empêcher à l'extrémité de fuite dans cette voie. En effet tunnel (STM), le mode, le fil T devient le fil courant à effet tunnel (avec sa source de tension déconnectée), le fil B reste relié à une source de tension continue, et tous les autres fils sont mis à la terre. Un choix typique pour la résistance diviseur de tension sur le fil D est de 100 kQ avec une tension sur le fil de D +1.25 V. Le choix de capacité standard doit contrer le fond pointe-échantillon capacité mutuelle, qui est d'environ 20 et suiv. La résistance de polarisation sur le fil T devrait être de l'ordre de 20 M. Ces choix ont pour but de régler la résistance du canal drain-source HEMT à son régime le plus sensible.
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Figure 3. SCA image et CV spectroscopie sur Accepteur Si dopé (a) l'image d'accumulation de charge de balayage d'un échantillon de silicium dopé avec une couche d'accepteurs de bore de la densité de surface de 1,7 x 10 15 m -2 situés 15 nm sous la surface 1;. Vcc = 75 mV, V excitation = 3,7 mV, la température était de 4,2 K. (b) la spectroscopie CV acquis au point en (a) indiquée par le point bleu. Mettre l'accent sur la structure de pointe, une ligne de fond a été soustrait. L'échelle de tension a été déplacé de telle sorte que nul n'est au centre du plus grand pic, puisque aucune mesure sonde de Kelvin a été fait au cours de cette expérience pour déterminer l'ampleur de la tension absolue, ce décalage est une question de commodité.
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Figure 4. . CV spectroscopie Analyse sur donneurs-GaAs dopé (a) spectroscopie CV acquis sur GaAs, dopé avec une couche de donneurs de silicium de la densité de surface de 1,25 x 10 16 m -2 située à 60 nm au-dessous de la surface 2, V = 15 mV excitation; l' la température était de 0,3 K. La flèche rouge indique un pic qui a été étudiée (b) des mesures de spectroscopie CV individuelle plus détaillée du pic indiqué en (a) avec la tension centré sur le pic;.. excitation V = 3,8 mV (c) données moyennes des courbes multiples indiqués en (b). L'ajustement, en vert, représente quatre effets qui élargissent le pic: le bras de levier, élargissement thermique, l'amplitude de la tension d'excitation, et le filtre de sortie de l'amplificateur lock-in. Dans (b) et (c) (a), la conversion à une valeur de capacité via C = AQ tip / V excitation n'a pas été faite.
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Discussion
Une explication détaillée de la base théorique de cette méthode expérimentale est donnée dans les références 8 et 9 et discuté en ce qui concerne le scénario de dopants sous-sol dans la référence 2, le bilan présenté ici sera donc brève et conceptuel. La pointe est traitée comme une plaque d'un condensateur, et la couche conductrice sous-jacente à l'échantillon comprend l'autre plaque. Si la tension continue est appliquée de sorte que les électrons sont attirés vers la pointe, et si il ya un atome de dopant située entre la couche conductrice sous-jacente et la pointe qui peut recevoir une charge supplémentaire, puis l'électron va entrer dans le dopant, et donc à se rapprocher de la pointe. De électrostatique, le mouvement de cet électron doit induire une charge d'image de signe opposé à la pointe. La tension d'excitation sinusoïdale (V excitation) qui est résumée dans la tension de courant continu va provoquer l'électron à résonner entre la couche de substrat et de la substance de dopage. À son tour, l'image accuse wmalade aussi un écho, ce qui donne un signal de courant alternatif qui est détecté par le circuit de charge-détection sensible utilisant le HEMT et encore amplifié par un amplificateur à verrouillage. Ce signal de charge peut alors être converti en une capacité.
Le mode de défaillance le plus commun de cette expérience implique des dommages au circuit HEMT qui permet la détection de charge sensible. Depuis la porte HEMT est si petit, même une petite accumulation de charge statique peut provoquer une défaillance du HEMT, généralement sous la forme d'un court-circuit entre le canal source-drain et la grille. Si un HEMT est court-circuitée, la mesure de la capacité à un seul électron ne peut pas continuer sans le remplacer. Depuis une quantité appréciable de temps est généralement consacré à la préparation de l'expérience, en particulier dans le refroidissement du microscope jusqu'à sa température de base et les HEMT utilisées pour ces expériences devraient être protégés en faisant en sorte que les canaux de grille et de source-drain sont jamais flottante, soit en connectant ces fils de l'autre (EPMn travailler avec les petits fils d'or sur la puce) ou par eux (lorsque l'on travaille avec les connexions des fils coaxiaux) à la terre. Des précautions supplémentaires peuvent être prises en portant un bracelet antistatique pendant la manipulation de la puce de montage ou le matériel du microscope, en particulier par temps sec, comme l'électricité statique, même légère de la personne de l'expérimentateur peut ruiner un HEMT soit par pure et simple court-circuitant ou en lui faisant piéger charges de telle manière qu'elle ne se stabilise assez. En cas de doute au sujet de la santé de la HEMT, il faut utiliser un traceur de courbe à rechercher les variations attendues dans les caractéristiques de source-drain avec une tension de grille appliquée (souvent appelé le "fan").
Les dimensions des plaquettes d'or sur la puce de montage ne sont pas d'une grande importance, à condition qu'ils soient assez grands pour permettre la liaison de fil succès, mais beaucoup plus petit qu'un millimètre pour éviter couplage excès de capacité dans le circuit. Avant de fixer le HEMT ou la pointe, il peut être utile de faire un elsew obligataire testici sur la puce de montage pour tester la façon dont on peut s'attendre à une liaison de travailler sur cette puce. Y compris quelques plaquettes d'or supplémentaires sur la puce de montage peut également être utile dans le cadre de cas de la puce est plus favorable à la liaison que d'autres régions sur la puce. Si le processus de liaison semble être en tirant des échantillons de l'or hors de la plaquette, la puce GaAs peut ne pas avoir été suffisamment claire avant les couches métalliques ont été fixées ou l'or peut se sont détériorées avec l'âge. La diminution de la puissance des ultrasons utilisés sur le bonder de fil peut être utile dans ce cas.
Indium soudure est utilisé pour attacher les fils d'or pour les fils coaxiaux en raison de ses bonnes propriétés à des températures cryogéniques. De même, GaAs est utilisé comme matériau pour la puce de montage pour éviter de provoquer une déformation thermique et la contraction induite par le HEMT, qui est lui-même fabriqué sur un substrat de GaAs. Depuis GaAs est un matériau piézoélectrique, une contrainte mécanique sur le substrat pourrait provoquer une défaillance de court et par conséquentHEMT.
Pour les semi-conducteurs utilisés dans les expériences dans les références 1 et 2, la surface de l'échantillon peut être imagée en utilisant le système comme un STM. C'est-à-dire, les électrons pourraient en effet creusent des galeries directement sur la pointe lorsque l'appareil a été configuré en mode STM. Ceci est très utile car il fournit un moyen de ramener la pointe près de l'échantillon sans le faire tomber la pointe dans la surface. Une tension de polarisation de l'ordre de quelques à plusieurs volts est nécessaire pour établir un courant tunnel stable. Avec une tension suffisamment élevée de polarisation, les frais seront retirés de la couche conductrice sous-jacente dans les régions isolantes de l'échantillon pour former une flaque conduite de charge à la surface; cette flaque suivra la pointe de la pointe est numérisé. D'où la surface peut être imagé comme dans STM standard. Mode tunnel peut causer des dommages électronique pour les mesures ultérieures. Par exemple, le potentiel existe pour l'échantillon d'être affectés par les grandes tensions de polarisation nécessaires pour image une charge transitoire de semi-conducteurs échantillon en mode tunnel, éventuellement induire des défauts près de la surface. Pour résoudre ce problème, on peut enlever la grande tension et de compenser la pointe à une région de plusieurs centaines de nanomètres loin (généralement sans l'utilisation de la rétroaction), tel que décrit dans le protocole. Alternativement, la présence de dommages à l'échantillon peut être détectée en effectuant spectroscopie CV ou en faisant une sonde de mesure Kelvin 2.
La géométrie de l'expérience implique certaines caractéristiques devraient viser pour le développement de l'échantillon. La localisation de la couche de dopant dans la direction de tunnel est importante, comme une couche d'agent de dopage trop épaisse ajouter ambiguïté pour la détermination du bras de levier. En d'autres termes, l'épaisseur de la couche de dopant doit être aussi proche que possible d'un plan atomique unique. Cette disposition est appelée «dopage delta." Par exemple, dans l'expérience dans la référence 1, la couche de dopant était d'environ 2 nanoMtres d'épaisseur.
Réussissent frais des analyses d'imagerie d'accumulation fait pour repérer les fonctions capacitives d'intérêt peuvent prendre un temps considérable, parfois de l'ordre de plusieurs heures. En ce qui concerne la vitesse de balayage, chaque pixel de l'image devrait prendre une quantité de temps comparable à plusieurs périodes d'excitation V, et le filtre de sortie de l'amplificateur de verrouillage doit être fixé à peu près la même valeur que le temps par pixel. Dérive dans le microscope qui n'est pas perceptible au cours d'un balayage de la STM quelques minutes peut contribuer à l'étalement des sensiblement plus longue durée de charge des images d'accumulation.
Le même embout utilisé pour créer des tunnels et pour les expériences de capacité aura une forme efficace différente en raison de la dépendance de la distance des dispositifs de mesure respectifs. Depuis tunnel est exponentielle dépendant de la distance, avec une bonne approximation, un seul atome de pointe recevra plus de courant. Ainsi èmee forme de la pointe à l'échelle du nanomètre est surtout pertinente, tant que l'apex est mécaniquement stable. Dans l'imagerie SCA, en revanche, la charge détectée sur la pointe est due à la capacité, grosso modo, elle est inversement proportionnelle à la distance et les parties supérieures de la pointe peut en effet recevoir une fraction significative du signal. Cela signifie que le rayon de l'échelle nanométrique de courbure de la pointe est pertinent pour les techniques de mesure de capacité. Afin d'optimiser l'amplitude du signal sans compromettre la résolution spatiale, le rayon de la pointe doit être approximativement égale à la profondeur de la couche de dopant sous la surface de 8,9.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt financier concurrents.
Acknowledgments
La recherche discuté ici a été soutenue par l'Institut Michigan State University pour les sciences quantique et la National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, et DMR-0605801. KW reconnaît l'appui d'un ministère de l'Éducation GAANN interdisciplinaire Bioelectronics bourse du programme de formation US.
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
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