扫描探针单电子电容谱

Summary

扫描探针单电子电容谱有利于在本地化的地下区域的单电子运动的研究。一个敏感的低温扫描探针显微镜研究半导体样品的表面下方的小系统的掺杂原子电荷检测电路纳入。

Abstract

低温扫描探针技术和单电子电容光谱的整合是一个功能强大的工具，学习电子小系统 - 包括个别原子掺杂半导体量子结构。在这里，我们提出了一种基于电容的方法，被称为地下电荷积聚（SCA）的成像，这是能够解决单电子充电，同时实现足够的空间分辨率图像的各个原子掺杂。使用电容技术使观察的地下特征，如掺杂剂的掩埋许多纳米的半导体材料^1,2,3的表面之下。原则上，这种技术可以被应用到任何系统，以解决在绝缘表面以下的电子的运动。

在其他电场敏感的扫描探针技术^4，横向的空间分辨率的测量部分依赖于半径curvaturE探头尖端。使用具有较小的曲率半径的提示，可以使空间分辨率为几十纳米。这种精细空间分辨允许小的数字（一）调查地下掺杂^1,2。决议的充电的充电检测电路的灵敏度在很大程度上依赖于使用在这样的电路在超低温下的高电子迁移率晶体管（HEMT），实现了灵敏度的约0.01电子/赫兹^½在0.3 K ^5。

Introduction

地下电荷积聚（SCA）的成像是一种低温的方法，能够解决单电子充电事件。当应用到半导体中的掺杂原子的研究，该方法可以检测单个电子进入施主或受主原子，允许这些分钟系统的量子结构表征。在它的心脏中，SCA成像是当地的电容测量⁶非常适合低温操作。因为电容电场的基础上，它是一种远距离的效果，可以解决充电下方的绝缘表面^6。低温操作允许将无法解决的常温^1,2单电子运动和量子水平间距调查。这项技术可以被应用到任何系统，在该系统中，在绝缘表面以下的电子的运动是很重要的，包括充电动态埋接口⁷中的二维电子系统;为简洁起见，这里的重点将是半导体掺杂剂的研究。

上面的最示意图的水平，这种技术将扫描的小费作为一个平行板电容器的一个极板，虽然现实的分析的尖端的曲率^8,9考虑到需要更详细的描述。在这个模型中的另一块板是纳米级的区域的底层的导电层，在图1中所示。从本质上讲，作为电荷输入响应一个周期性的激励电压的掺杂剂，它越接近到顶端，这个运动诱导的尖端上的电荷，这是与传感器电路⁵检测到的更多的图像。同样，作为电荷离开掺杂剂，降低尖上的图像电荷。因此充电周期响应激励电压信号是所检测到的信号 - 它本质上是电容，因此该测定是通常被称为作为确定的CV特性的系统。

帐篷">在电容测量期间，净隧道底层导电层和掺杂剂层 - 电荷不会隧道直....

Protocol

1。议定书

1. 显微镜和电子设备的初始设置的
   1. 开始与相关的电子控制能够低温扫描探针显微镜。这里所描述的用于本研究的显微镜使用惯性翻译"走"的样品沿斜面^13（如铜，黄铜，钢或不锈钢制成的导电材料，使它们能够发射偏置电压的从尖端朝向和远离样品）的Besocke设计，在图2中示意性地示出的^STM-14的一部分。
   2. 除了偏置电压和隧道电流的同轴电线，提供至少两个其它的同轴导线和一根接地线从电子机架延伸，以便操作低温敏感的充电检测放大电路，在显微镜的尖端附近区域的。组装的放大电路，参考文献5，12，和15中详细描述的元素，都装上电子lectronics机架，这是在图2中的阴影的框外部分电路。此电路的一部分，将整个实验过程中保持在室温下。
2. 组装的前端安装芯片和HEMT的电路（在图2中的阴影框）的HEMT电路将被降低到低温温度，以获得最佳的能量分辨率。
   1. 顺劈斩的正方形芯片大小约1厘米×1厘米的砷化镓晶圆用隶，这种芯片将被安装在传感器电路和小费。存款约100 nm的金顶上钛粘结层通过荫罩上的GaAs芯片，以形成一些金焊盘，每个大小约1毫米×1毫米，将被键合的HEMT和偏置电阻的导线。垫的尺寸不是关键的。
   2. 准备一个锋利的STM针尖由机械切割80:20铂铱丝采用对角线切割机。的前端，也可以通....

Results

一个成功的测量的主要指标是可重复的，就像在其他扫描探针方法。重复测量是非常重要的，因为这个原因。对于点电容光谱，在同一位置，可以采取许多连续测量的增加的信号 - 噪声比，和拣选的杂散信号。

一旦关注的功能已经确定内的电荷积累图像和电容光谱已被执行，确定电压的杠杆臂的CV数据开始解释。的电压的杠杆臂的比例因子有关的位置处的掺杂剂，所施加的V _DC的实际潜力。它本质上占的前端从掺杂层的掺杂剂从该位置正下方的尖端的任何横向偏移的非零的距离。电压杠杆臂洛伦兹函数拟合的CV光谱数据^{1,8 <}/ SUP>。如果随意的绝对电压规模，接触电势（电压，当从样品中没有电场线的尖端处终止）的确定应通过开尔文探针测量^1,2,3,7。

图3（a）显示了一个例子，与上面所指示的点获得的CV光谱电荷累积图像。该样品是硅，掺杂有硼受体中的Δ-15nm的掺杂层下面的表面的面密度为1.7×10 ¹⁵米^-2。.......

Discussion

这个实验方法的理论基础的详细说明中给出的参考文献8和9，与参考文献2中的场景地下掺杂讨论，因此将简要概述和概念。的前端被当作一个电容器的一个极板，相关样本包括另一块板的导电层。如果施加直流电压，使得电子被拉向前端，并且，如果有掺杂剂的原子之间的底层的导电层，且前端，可容纳额外付费，然后将输入的电子掺杂剂，从而得到更接近小费。从静电，电子的运动引起的图像电荷符号相反的尖端。成直流电压相加的正弦激励电压（V _激发 ），将导致在基材层和掺杂剂的电子之间产生共鸣。反过来，图像充电瓦特病也产生共鸣，通过利用的HEMT敏感的充电检测电路和被检测到，用锁定放大器进一步放大的交流信号。该充电信号可以被转换成一个电容。

最常见的故障模式，在此实验中涉及的HEMT，使敏感的充电检测电路的损坏。由于HEMT栅是如此之小，即使是小型的静电电荷积累可以导致失败的HEMT中，通常会在源极 - 漏极通道和栅极之间的短路的形式。如果一HEMT短路，单电子的电容测量无法继续，而无需更换。由于在制备实验中，特别是在显微镜下冷却到它的基温度一般是使用了可观的时间量，用于这些实验中的HEMT器件应确.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
设备
设计 STM	定制		参考资料 14 和 15
STM控制电子元件	RHK 技术	SPM 1000 修订版 7
锁相放大器	斯坦福研究系统	SR830
曲线追踪器	泰克	576
示波器	Tektronix	TDS360
万用表	Tektronix	DMM912
引线键合器	WEST·BOND	7476D	带 K~1200D 温度控制器
烙铁	MPJA	301-A
低温恒温器	牛津仪器	Heliox
材料
Pt/Ir 线，80：20	纳米科学仪器	201100
GaAs 晶片	axt	S-I	用于安装芯片
99.99% 金丝，直径 2 mil	SPM		用于安装芯片
99.99% 金丝，直径 1 mil	K&S		用于引线键合
铟丸	Alfa Aesar	11026
银环氧树脂	Epo-Tek	EJ2189-LV	任何低温兼容的导电环氧树脂都是可以接受
HEMT 富士	通	低噪声 HEMT