Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

Summary

Sonda de barrido espectroscopía capacitancia solo electrón facilita el estudio del movimiento de un solo electrón en regiones bajo la superficie localizados. Un circuito de carga-detección sensible se incorpora en un microscopio de sonda de barrido criogénico para investigar pequeños sistemas de átomos de dopante debajo de la superficie de las muestras de semiconductores.

Abstract

La integración de técnicas de sonda de barrido de baja temperatura y espectroscopia de capacitancia de un solo electrón representa una poderosa herramienta para estudiar la estructura cuántica electrónica de pequeños sistemas - incluyendo dopantes atómicas individuales en los semiconductores. Aquí se presenta un método basado en la capacitancia, conocida como acumulación de carga subsuperficial (SCA) de imágenes, que es capaz de resolver la carga de un solo electrón, mientras que el logro de una resolución espacial suficiente para imagen dopantes atómicas individuales. El uso de una técnica de capacitancia permite la observación de las características del subsuelo, tales como agentes de dopado enterrados muchos nanómetros por debajo de la superficie de un material semiconductor ^1,2,3. En principio, esta técnica se puede aplicar a cualquier sistema para resolver movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante.

Al igual que en otras técnicas de escaneado-sonda de campo eléctrico sensibles a la ^4, la resolución espacial lateral de la medición depende en parte de la radio de curvature de la punta de la sonda. Utilizando puntas con un pequeño radio de curvatura puede habilitar la resolución espacial de unas pocas decenas de nanómetros. Esta buena resolución espacial permite la investigación de pequeñas cantidades (hasta las) de dopantes subsuelo ^1,2. La resolución de carga depende en gran medida de la sensibilidad de la circuitería de detección de carga; utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en dichos circuitos a temperaturas criogénicas permite una sensibilidad de aproximadamente 0.01 electrones / Hz ^½ a 0,3 K ^5.

Introduction

Acumulación de imágenes de carga del subsuelo (SCA) es un método de baja temperatura capaz de resolver los eventos de carga de un solo electrón. Cuando se aplica al estudio de los átomos de dopante en los semiconductores, el método puede detectar electrones individuales que entran en átomos donantes o aceptor, permitiendo la caracterización de la estructura cuántica de estos sistemas minutos. En su corazón, SCA formación de imágenes es una medición de la capacidad local de ⁶ bien adaptado para la operación criogénica. Debido a que la capacitancia se basa en el campo eléctrico, que es un efecto de largo alcance que puede resolver de carga por debajo de las superficies de aislamiento ^6. Operación criogénica permite la investigación de movimiento de un solo electrón y el espaciamiento nivel cuántico que serían irresolubles en la sala de temperatura de ^1,2. La técnica se puede aplicar a cualquier sistema en el que movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante es importante, incluyendo la dinámica de carga de electrones en sistemas de dos dimensiones en las interfaces enterrados ^7; por razones de brevedad, el enfoque aquí será en estudios de agentes de dopado de semiconductores.

En el nivel más esquemática, esta técnica trata a la punta escaneada como una placa de un condensador de placas paralelas, aunque el análisis realista requiere una descripción más detallada para tener en cuenta la curvatura de la punta de ^8,9. La otra placa en este modelo es una región a nanoescala de la capa conductora subyacente, como se muestra en la Figura 1. Esencialmente, como una carga entra en un dopante en respuesta a una tensión de excitación periódica, que se acerca a la punta; este movimiento induce más carga imagen en la punta, que se detecta con el circuito del sensor ^5. Del mismo modo, como la carga sale del dopante, se disminuye la carga de la imagen en la punta. Por lo tanto la señal de carga periódica en respuesta a la tensión de excitación es la señal detectada - esencialmente es la capacitancia, por lo que esta medida se conoce como la determinación de las características del sistema de CV a menudo.

tienda de campaña "> Durante la medición de capacitancia, la única red de túnel es entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado -. túneles de carga nunca directamente sobre la punta La falta de un túnel directo hacia o desde la punta durante la medición es una diferencia importante entre este y la técnica de escaneo más familiarizados microscopía de efecto túnel, aunque gran parte del hardware para este sistema es esencialmente idéntica a la de un microscopio de efecto túnel. También es importante tener en cuenta que SCA formación de imágenes no es directamente sensible a las cargas electrostáticas. Para las investigaciones de carga estática distribuciones, escaneo de microscopía de sonda Kelvin o microscopía de fuerza electrostática es apropiado métodos criogénicos adicionales para examinar el comportamiento existe electrónica local, que también tienen una buena resolución electrónica y espacial;. por ejemplo, microscopía transistor de un solo electrón es otro método de sonda de barrido capaz de detectar los minutos de carga efectos ^4,10. SCA imagen fue originalmentedesarrollado en el MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, y los compañeros de trabajo ^7, por otra parte, el método descrito aquí puede ser considerado como una versión de sonda de barrido del método Espectroscopía de la capacitancia de un solo electrón desarrollado por Ashoori y compañeros de trabajo ^11. Un elemento clave de la medición es un circuito de carga-detección exquisitamente sensible ^5,12 utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), sino que puede lograr un nivel de ruido tan bajo como 0.01 electrones / Hz ^½ a 0,3 K, la temperatura de base del criostato en referencia 5. Esta alta sensibilidad permite la observación de la carga de un solo electrón en sistemas subterráneos. Este método es adecuado para el estudio de la dinámica de electrones o un agujero de grupos individuales o pequeñas de dopantes en semiconductores, típicos con densidades de área dopantes en el orden de 10 ¹⁵ m ^-2 en una geometría plana ^2. Un ejemplo de una configuración de ejemplo típico de este tipo de experimento se muestra en la Figura 1 . La capa de agente de dopado se coloca típicamente unas pocas decenas de nanómetros por debajo de la superficie, es importante conocer las distancias precisas entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado y entre la capa de agente de dopado y la superficie de la muestra. En contraste con efecto túnel, capacitancia no se caiga de forma exponencial, pero en su lugar disminuye esencialmente en proporción inversa a la distancia. Por lo tanto, la profundidad de dopante en principio, podría ser incluso más profunda que decenas de nanómetros bajo la superficie, siempre que una fracción razonable de los terrenos del campo eléctrico en la punta. Para todas las mencionadas sondas criogénicas locales de comportamiento electrónico, incluyendo la técnica descrita aquí, la resolución espacial está limitada por el tamaño geométrico de la punta y por la distancia entre la característica del subsuelo de interés y la punta de sonda de barrido.

Protocol

1. PROTOCOLO

1. La configuración inicial del microscopio y de la electrónica
   1. Comience con un microscopio de sonda de barrido criogénica con capacidad de la electrónica de control asociados. Los microscopios utilizados para la investigación que se describe aquí utiliza la traducción de inercial a "caminar" la muestra hacia y lejos de la punta a lo largo de las rampas ¹³ (hecho de un material conductor tal como cobre, latón o acero inoxidable para que puedan transmitir tensión de polarización a la de la muestra) como parte de un STM diseño Besocke ^14, que se muestra esquemáticamente en la Figura 2.
   2. Además de la tensión de polarización y la construcción de túneles cables coaxiales actuales, proporcionar al menos otros dos cables coaxiales y un cable de tierra que se extienden desde el bastidor electrónica a cerca de la zona de la punta del microscopio con el fin de operar el circuito amplificador criogénico para la detección sensible a la carga. Montar los elementos del circuito amplificador, se describe en detalle en las referencias 5, 12, y 15, que están alojados en el correolectronics bastidor, lo que es la parte del circuito fuera del área sombreada en la figura 2. Esta parte del circuito permanecerá a temperatura ambiente durante todo el experimento.
2. Montar el chip de montaje para la punta y el circuito HEMT (caja sombreada en la Figura 2); el circuito HEMT se reducirá a temperatura criogénica para obtener una resolución óptima de energía.
   1. Cleave un chip cuadrado dimensionado aproximadamente 1 cm x 1 cm de una oblea de GaAs usando un escriba; el circuito del sensor y la punta se montarán en este chip. Depósito de aproximadamente 100 nm de oro encima de una capa de pegado de titanio a través de una máscara de sombra en el chip de GaAs para formar varias almohadillas de oro, cada uno de tamaño de aproximadamente 1 mm x 1 mm, a la que los cables de la HEMT y resistencia de polarización se pueden unir. Las dimensiones de las pastillas no son críticos.
   2. Prepare una punta afilada STM cortando mecánicamente un 80:20 Pt: Alambre Ir con corte diagonal. La punta se puede preparar también por ataque químico or otro método o se puede comprar en el mercado. Determinar el radio de curvatura de la punta a través de microscopía electrónica de barrido, el radio de curvatura debe ser del orden de la resolución espacial necesaria para el experimento.
   3. Epoxi un alambre de oro en cada una de las almohadillas de oro utilizando resina epoxídica conductora capaz de resistir temperaturas criogénicas; estos cables estarán conectados los elementos del circuito en el chip de montaje para los cables coaxiales en el microscopio. Dado que los hilos de oro se pueden quitar fácilmente después de que el siguiente paso si no se necesitan, epoxi unos alambres de oro redundantes en las almohadillas. Epoxi el HEMT, la resistencia de polarización, y la punta del STM en los chips de GaAs de montaje. Curar el epoxi como se indica en la hoja de información del producto. (Ver la tabla de materias a continuación para obtener más detalles.)
   4. El uso de un dispositivo de unión de alambre cargado con hilo de oro, enlace la fuente, drenaje y elementos de puerta de los HEMT para separar almohadillas de oro en el chip de GaAs. Cables temporales enlace que conecta la puerta y la fuente or almohadillas de drenaje para asegurar la puerta no se cargan con respecto al canal de origen de la fuga. Utilice una correa de conexión a tierra para mayor seguridad mientras está maniobrando el HEMT, es importante tomar precauciones para evitar la introducción de cargas estáticas callejeros que podrían destruir la HEMT.
   5. Almacenar el chip de montaje preparada con los cables conectados a la puerta y para el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados eléctricamente entre sí para evitar un cortocircuito en la HEMT. Si se han eliminado los cables temporales mencionados en el paso anterior, gire suavemente los cables juntos. Es más sencilla de conectar todos los cables entre sí.
3. Coloque el chip de montaje para el microscopio.
   1. Asegúrese de que los canales de compuerta y la fuente-drenaje nunca son flotante; esto es para evitar cortocircuitos destructivas entre los canales de compuerta y la fuente-drenaje de la HEMT. A tierra de los cables coaxiales en el microscopio a la que se sueldan los cables desde el chip.
   2. Coloque el chip de montaje encima de tque piezotube de barrido, como se muestra en la Figura 2.
   3. Soldar los alambres de oro que se extienden desde el chip de montaje para los cables coaxiales pertinentes utilizando soldadura de indio.
4. Comprobar la integridad de la HEMT utilizando un trazador de curvas conectado a los cables coaxiales en el bastidor de la electrónica. Esencialmente, el trazador de curvas muestra la fuente de la fuga de las características corriente-tensión. El modo de fallo más común es un corto entre la puerta HEMT y su canal de fuente-drenaje, lo que resulta en características de fuente-drenaje que son insensibles a la tensión de puerta.
5. Montar la muestra. Entra en rango con el microscopio configurado en el modo de STM para asegurar que la muestra se acercará con éxito la punta.
   1. Conecte el cable de T para el preamplificador usado para STM túnel mediciones de corriente y conectar DC tensión de polarización V _DC al cable B. (Todas las conexiones se realizan en el bastidor de la electrónica.)
   2. Camine hasta que la muestra y la punta están en el rango de túnel. Cuando en la ARENS, la piezotube exploración debe permanecer extendido ligeramente de su posición de equilibrio para que la conexión a tierra del piezotube exploración hará que la punta se retraiga de su extensión en el alcance. Esto verifica que la muestra puede acercarse con éxito la punta. Caminar fuera de rango después de hacer esto, para proteger la punta durante las próximas acciones.
   3. Transferir el microscopio de la mesa de trabajo de laboratorio para el dewar para funcionamiento a baja temperatura posible. En este punto, la fase de prueba se ha completado y la fase experimental puede comenzar.
6. Bombear el microscopio a un vacío de unos pocos microtorr. Enfriar el microscopio a 4,2 K o abajo para la resolución óptima de energía, siguiendo el procedimiento descrito en el manual para el criostato.
   1. Después de enfriar el microscopio a su temperatura de base, permite el tiempo suficiente microscopio para alcanzar el equilibrio térmico; ya que se pueden realizar repetidas largas, las exploraciones de la misma área, es importante para minimizar la deriva térmica. (Drift esun cambio en la posición de equilibrio de la punta con respecto a la muestra).
   2. Suspender el dewar para aislar el microscopio tanto como sea posible de las vibraciones debidas al acoplamiento mecánico para la construcción y para las bombas de vacío y otros dispositivos conectados al microscopio y Dewar. Esto se puede hacer usando un sistema de suspensión cuerda elástica, que en la Referencia 15, o mediante el uso de cámaras de aire o un método similar.
7. Después de enfriar el microscopio y antes de intentar la recogida de datos, verificar la integridad de la HEMT de nuevo usando el trazador de curvas.
8. Analizar la muestra en el modo de efecto túnel (STM).
   1. Entra en rango. Localice una región de la superficie de la muestra que esté libre de escombros y de altura considerable o variaciones de conductividad, y asegúrese de que la punta es estable.
   2. Corregir cualquier inclinación de la muestra, lo que es especialmente importante porque las exploraciones de capacitancia se realizaron con el bucle de realimentación desactivada, por lo tanto la punta podría chocar contra la superficie si el scannING avión no es paralela a la superficie de la muestra. En principio, se podría usar la señal de capacitancia de retroalimentación para mantener una capacidad constante durante la exploración de la punta, sin embargo, en la práctica, la señal no es lo suficientemente robusta como para evitar un accidente si se utiliza la retroalimentación.
   3. Observe cualquier deriva térmica de modo que pueda ser compensado mediante el reposicionamiento de la punta compensado. Tenga en cuenta la cantidad de extensión de la punta, mientras que en el rango en el modo de túnel, denominado en el presente Protocolo como el punto de contacto.
9. Vaya a un área no perturbada de la muestra, uno que no ha sido explorado en modo STM.
   1. Desactivar el bucle de realimentación en el controlador de STM. Recordemos que cuando el bucle de realimentación se desactiva, los movimientos manuales de la punta inadvertidamente podría causar un accidente. Por lo tanto, mucho cuidado debe ser tomado mientras se mueve la punta.
   2. Retirar la punta de unas pocas decenas de nanómetros desde el punto de contacto.
   3. Desplazamiento de la posición lateral de la punta de un área cercana de la muestra WHIch hace poco no se ha escaneado, para evitar cualquier perturbación (como la carga de los sitios de dopantes semiconductores) la tensión de polarización requerida para habilitar el túnel a través de la muestra de semiconductor para la exploración STM puede haber inducido.
   4. Cautelosamente extender la punta hacia la superficie hasta que el desplazamiento de la punta de la extensión de equilibrio está cerca en magnitud al punto de contacto.
10. Cambie la configuración del cableado al modo de capacitancia.
    1. Conecte a tierra todos los cables coaxiales para proteger el HEMT.
    2. Conectar los cables coaxiales a las fuentes de tensión y resistencias pertinentes y para el amplificador de bloqueo y el generador de funciones, como se muestra en la Figura 2.
    3. Encienda todas las fuentes de tensión. Para evitar escandalizar a la HEMT, comience con salidas de fuente de tensión a 0 V.
    4. Sin moler los cables coaxiales, recordando para mantener la puerta y el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados entre sí tanto como sea posible con el fin de proteger el HEMT.
    5. Ajuste el vfuente oltaje en la resistencia de divisor de tensión (cable D).
    6. Sintonice el HEMT de su región más sensible al monitorear el voltaje a través de cable de L con un multímetro mientras ajusta V _melodía. Vuelva a colocar alambre de L al amplificador lock-in después.
    7. Aumentar V _sintonía hasta que la señal en fase en la cerradura-en incrementos amplificador y comienza a estabilizarse, registrar este valor de V _melodía, que es la tensión aplicada a la punta. Esto permite que toda la carga de la medición para ir a la HEMT en lugar de fugas a través de alambre de L.
    8. Optimice la fase interna del amplificador lock-in con su capacidad Autophase y registrar el valor de fase.
    9. Espere a que el HEMT de estabilizar para asegurar que no hay efectos térmicos significativos (esto a menudo tarda hasta dos horas).
11. Equilibrar el HEMT ajustando la señal en el condensador estándar para asegurar que sólo la señal de interés va al amplificador lock-in. Los ajustes de la señal en lacondensador estándar se puede hacer ya sea a la amplitud de _equilibrio V o a la fase relativa entre el _{balance de} V y V _{de excitación.} El HEMT se considera equilibrado cuando la señal en fase en el amplificador de bloqueo se reduce al mínimo en este paso del procedimiento.
12. Realizar análisis de imágenes de acumulación de carga.
    1. Ajuste el voltaje de polarización de CC V _CC en la muestra.
    2. Extienda la punta dentro de 1 nm de la superficie, utilizando el punto táctil como referencia.
    3. Registre la salida del amplificador lock-in con el software de adquisición de datos, lo que es la señal de interés.
    4. Busque en la muestra. Para obtener una buena resolución, pueden necesitar ser adquirida a razón de varias horas por escaneo para permitir suficiente promediado de señal para cada píxel y para evitar manchas de la señal entre los píxeles adyacentes de la imagen de las exploraciones. Realizar varios análisis sobre la misma área, y éstos promedio escanea en conjunto para mejorar la relación señal-a-ruido.
13. Realizar capacitancia espectroscopia (CV) con la punta estacionaria por encima de una característica del subsuelo de interés en la imagen de la acumulación de carga adquirida durante el paso anterior.
    1. Rampa V _CC y grabar la salida del amplificador lock-in usando el software de adquisición de datos.
    2. Tome varias curvas de capacitancia vs voltaje (CV) en el mismo lugar, y el promedio de estas curvas en conjunto para mejorar la relación señal-ruido. Típicamente, unas curvas se promedian en conjunto. Mientras que las curvas promedio de mejora de la relación señal-a-ruido, debido a la posibilidad de deriva durante los análisis, sólo un puñado de exploraciones sucesivas debe promediarse juntas.
14. Vuelva al modo de efecto túnel (STM).
    1. Retirar la punta de su extensión equilibrio y volver a configurar el sistema electrónico de STM. Vuelva a habilitar el bucle de realimentación y registrar la pre-rango de extensiones de la punta (punto de contacto).
    2. Explore el área de modo de túnel para buscar características en la parte superiorgrafía que pueden haber artefactos en la imagen de la capacitancia y la espectroscopia de capacitancia.
15. Analizar e interpretar los datos, después de Referencia 9 y la información de apoyo en la Referencia 1.

Results

El principal indicador de medición de éxito es la reproducibilidad, tanto como en otros métodos de sonda de barrido. Las medidas repetidas son muy importantes por esta razón. Para la espectroscopia de capacitancia punto, teniendo muchas mediciones en sucesión en la misma ubicación ayuda a aumentar la relación señal-a-ruido e identificar señales espurias.

Una vez que una característica de interés se ha identificado dentro de la imagen de acumulación de carga y la espectroscopia de capacitanci...

Discussion

Una explicación detallada de la base teórica de este método experimental se dan en las referencias 8 y 9 y discutido con respecto al escenario de dopantes del subsuelo en la Referencia 2; la información general que aquí se presenta por lo tanto, ser breve y conceptual. La punta se trata como una placa de un condensador, y la capa conductora subyacente a la muestra comprende la otra placa. Si se aplica la tensión de CC de modo que los electrones son atraídos hacia la punta, y si hay un átomo de dopante situada entre la c...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design STM	Custom		References 14 y 15
Electrónica de control para STM	RHK Technology	SPM 1000 Revisión 7
Amplificador de bloqueo	Stanford Research Systems	SR830
Trazador de	curvas Osciloscopio Tektronix	Tipo 576
	Multímetro Tektronix	TDS360
	Tektronix	DMM912
Soldador de alambre	WEST· BOND	7476D	con controlador de temperatura K~1200D
Soldador	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
Material
Pt/Ir hilo, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer	axt	S-I	Para el chip
Alambre de 99.99% Au, 2 milésimas de pulgada de diámetro	SPM		Para el chip de montaje
Alambre de 99.99% Au, 1 milésima de pulgada de diámetro	K& S		Para la unión de alambres
Granalla de indio	Alfa Aesar	11026
Epoxi de plata	Epo-Tek	EJ2189-LV	Cualquier epoxi conductor compatible con bajas temperaturas es aceptable
HEMT	Fujitsu	Low Noise HEMT