Name: Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Aprende microscopía de efecto túnel de barrido con resolución temporal electrónica total para estudiar dinámica de dopantes individuales en silicio. Esta técnica accesible alcanza resolución nanosegundo sin requerir integración óptica.

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Nos gustaría agradecer a Martin Cloutier y Mark Salomons por sus conocimientos técnicos. También agradecemos a NRC, NSERC y AITF para apoyo financiero.

1. inicial configuración del microscopio y de experimentos
<ol><li>Comience con un ultra vacío criogénicos capaces STM y software de control asociado. Enfriar el STM a temperaturas criogénicas. Nota: A lo largo de este informe, vacío ultraalto se refiere a sistemas que logran < 10 x 10-10 Torr. El STM debe refrigerarse a temperaturas criogénicas; Esto es especialmente importante al investigar la dinámica de carga de dopantes, que son activados térmicamente a temperaturas modestas. Otras cámaras pueden estar a temperatura ambiente.</li>
	<li>Asegúrese que la punta STM es equipada con cableado de alta frecuencia (~ 500 MHz). Nota: Al usar pulso formar métodos, un gran aumento en el tiempo de respuesta de un STM con cableado coaxial estándar temperatura criogénica (~ 20 MHz) ha sido reportado por Grosse et al. 31
</li>
	<li>Conectar un generador de función arbitraria con al menos dos canales para la punta (figura 2), que se utilizará para preparar los ciclos de pares de pulso de voltaje usados para los experimentos de la sonda de la bomba.</li>
	<li>Configurar el generador de funciones arbitrarias para que los pulsos de voltaje de bomba y sonda se generan independientemente y se suman antes de ser alimentadas en la punta.</li>
	<li>Se aplica el voltaje bias DC utilizado para espectroscopia convencional e imágenes a la muestra (VDC).</li>
	<li>Conectar dos interruptores de la frecuencia de radio con canales de salida del generador de funciones arbitrarias.</li>
	<li>Configurar los switches para que la punta se basarse en espectroscopia convencional e imágenes de STM, y el sesgo eficaz VDC + Vpunta durante experimentos de la sonda de la bomba (Figura 4A).</li>
	<li>Recoger el túnel actual para todas las mediciones a través de un preamplificador conectado a la muestra.</li>
</ol>2. preparación de la reconstrucción H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>Partirá de una muestra de una oblea de Si(100) de 3-4 mΩ·cm arsénico tipo n dopado por rascarse la parte trasera de la oblea con una punta de trazar de carburo de silicio y ajustar con cuidado la muestra de la oblea con portaobjetos de vidrio.</li>
	<li>Colocar la muestra en un portamuestras STM e introducir a una cámara de vacío ultraalta adyacente a la cámara STM.</li>
	<li>Desgasificar la muestra por resistividad calienta a 600 ° C (puede usarse un pirómetro para controlar la temperatura de la muestra) y se mantiene a esa temperatura durante al menos 6 h en vacío ultra. Nota: La presión se elevará inicialmente como la muestra y el portamuestras degas, pero deben estabilizarse cerca de la presión base (< 10-10 Torr) después de varias horas.</li>
	<li>Permita que la muestra se enfríe a temperatura ambiente antes de continuar.</li>
	<li>Desgasificar un filamento de tungsteno en la misma cámara que la muestra resistividad calentando el filamento a 1800 ° C y esperando el sistema a recuperar a la presión de base. Apague el filamento antes de continuar. Nota: La muestra puede permanecer en la cámara durante este paso porque es apaciguado por la capa de óxido nativo en su superficie, y cualquier contaminación de la superficie de la muestra de este paso se eliminará posteriormente. Temperatura del filamento debe ser calibrado para un corriente/voltaje específico aplicado a los filamentos con un pirómetro.</li>
	<li>Quitar el óxido de la superficie de la muestra por intermitente muestra a 900 ° C y se mantiene a esta temperatura por 10 s antes de enfriamiento a temperatura ambiente. La presión aumentará varios órdenes de magnitud de la presión base durante el procedimiento de flasheo. Después de cada uno de los destellos en todo este procedimiento, espere a que la muestra se enfríe a temperatura ambiente y el sistema para recuperar a la presión base antes de continuar. Nota: Intermitente se define dentro de este informe como de calefacción y refrigeración de la muestra con velocidades de rampa alta, del orden de 100 ° C/s.</li>
	<li>Flash progresivamente la muestra a temperaturas más altas al intentar llegar a un final flash de 1250 ° C. Cancelar cualquier flash donde la presión se eleva por encima de 9 x 10-10 Torr para evitar que la superficie de la muestra obteniendo contaminados. Registrar la tensión para alcanzar 1250 ° C flash (la luz emitida por el filamento caliente en el paso 2.6 evitará un pirómetro de dar una lectura exacta de la temperatura de la muestra, y por lo tanto este punto debe utilizarse). En el final flash, determine la tensión necesaria para calentar la muestra a 330 ° C mientras el cristal se enfría y, a continuación, deje que la muestra enfriar a temperatura ambiente y el sistema recuperar a presión base antes de continuar.</li>
	<li>Fugas de gas de2 H en la cámara a una presión de 1 x 10-6 Torr y calentar el filamento de tungsteno a 1800 ° C. Nota: Esto tiene el efecto de grietas H2 hidrógeno de atmoic32.</li>
	<li>Mantenga la muestra en estas condiciones durante 2 min antes de parpadear la muestra a 1250 ° C, mantiene a esa temperatura durante 5 s y el enfriamiento al 330 ° C.</li>
	<li>Después de 1 min de exposición a 330 ° C, al mismo tiempo cierre la válvula de escape de2 H, apague el filamento de tungsteno y deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente. Nota: Estas altas temperaturas flashes afectan la distribución de los dopantes en la muestra. Calefacción a 1250 ° C se ha encontrado para inducir a una región de agotamiento de ~ 60 nm dopante cerca de la superficie de la muestra30.</li>
	<li>Verificar la calidad de la muestra tomando imágenes STM de la superficie. Nota: Las muestras buena tendrá grandes (> 30 nm nm x 30) terrazas con una tasa de defecto de < 1% (colgando enlaces, moléculas adsorbidas, adatoms, etc.) y demostrará el clásico Si(100)-(2x1) reconstrucción32, que cuenta con filas de dímero correr antiparallel uno al otro a través de bordes de paso (figura 3B).</li>
</ol>3. evaluación de la calidad de los pulsos de la bomba de sondeo en el cruce de túnel
<ol><li>Planteamiento de la punta STM la superficie de la muestra por participar el actual regulador de retroalimentación con un punto de referencia actual de 50 pA y un sesgo de la muestra de-1.8 V. Nota: En estas condiciones, la punta se estima < 1 nanómetro de la superficie de la muestra. La punta STM utilizada en este trabajo fue producida por grabado químicamente policristalino tungsteno. Fue afilar aún más con un nitrógeno grabado el procedimiento que se describe bien en Rezeq et al. 33.</li>
	<li>Busque un área en la superficie de la muestra libre de defectos de superficie grandes realizando exploraciones de gran área (por ejemplo, 50 nm nm x 50).</li>
	<li>Posición del STM volcar un H-Si en la superficie, que aparecen como las filas de dímero de imágenes STM (figura 3B).</li>
	<li>Apague el controlador actual de retroalimentación</li>
	<li>Sistema VDC a -1.0 V, Vbomba a -0.5 V, Vsonda -0,5 V, la anchura de los impulsos de la bomba y sonda de 200 ns y el tiempo de subida/bajada de los pulsos a 2.5 ns (Figura 4A).</li>
	<li>Enviar una serie de trenes de pulsos de la bomba y la sonda donde se barre el retraso relativo de la bomba y sonda de-900 ns a 900 ns.</li>
	<li>Parcela el túnel actual en función de la demora entre la bomba y sonda. Probablemente mostrarán fuertes llamadas (oscilaciones en el túnel actual como una función del relativo retraso entre los pulsos de la bomba y sonda, Figura 4B). Nota: El software Python y origen se utilizaron para trazar, analizar y evaluar los datos recogidos para este manuscrito.</li>
	<li>Repita los pasos 3.1 a 3.5, pero aumentar los tiempos de subida/bajada de los pulsos. El timbre se reducirá como se aumentan los tiempos de subida/caída. Nota: Ha deseado eliminar zumbido para proporcionar los resultados espectroscópicos más precisos, sin embargo, el tiempo de resolución de estas técnicas está limitada a la anchura de los pulsos utilizados. tiempos de subida de ns 25 fueron utilizados para este trabajo.</li>
</ol>4. tiempo-Resolved exploración túnel espectroscopia (TR-STS)
<ol><li>Posición del STM volcar un silicio de DB, que aparecen como protuberancias brillantes en sesgos de punta muestra negativa (figura 3B).</li>
	<li>Apagar el regulador de respuesta actual de STM.</li>
	<li>
Enviar un tren compuesto por sólo el pulso de la sonda con una tasa de repetición de 25 kHz. Una serie de trenes de pulso, barrer el sesgo del pulso sonda sobre una gama de 500 mV desde el sesgo de la C.C. de-1.8 V. Nota: Este simple experimento es análogo a STS convencionales donde la conductancia se muestrea en un rango de sesgos.<ol>
<li>Configurar la duración de los trenes de pulso (cada uno con un sesgo diferente) que los espectros resultantes tienen una relación señal a ruido > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (tal que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, establezca la VDC Vbombay Vthr en-1.8 V, 500 mV y -2,0 V, respectivamente. Nota: Los pulsos de la bomba pueden tener arbitrariamente largas duraciones (1 μs es normalmente suficiente).</li>
	<li>
Enviar un tren compuesto por los impulsos de la bomba con los pulsos de sonda, seguidos de un retraso de 10 ns. En estos experimentos, establecer la amplitud del pulso de la bomba como 500 mV y del barrido de pulso sonda de 50 a 500 mV. Nota: En este experimento, el pulso de la sonda muestreo el estado preparado por el pulso de la bomba, en lugar del estado de equilibrio en STS convencionales.<ol>
<li>Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la bomba cuando Mostrar/evaluación de señal de este paso.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Comparar la sonda y la bomba + sonda de señales mediante la representación en el mismo gráfico. Cualquier histéresis en las dos señales es una indicación de la dinámica que puede ser sondeado con técnicas STM de tiempo resuelto. Nota: Manteniendo el rango del pulso sonda fijado y análisis grueso del DC offset (en 0,25 V pasos, por ejemplo), uno puede eficientemente asignar la gama de energía entera de la muestra para identificar la dinámica accesible a la técnica. Duraciones de pulso pueden modificarse dependiendo de la experiencia. El ancho del pulso de la bomba debe ser superior a la tasa a la cual se ioniza el dopant, que constantemente ioniza el dopant. En general, las duraciones de la sonda deben ser del mismo orden como el proceso dinámico de estudio, tal que la señal máxima se puede medir sin un promedio de los Estados de la dos conductancia de muestreo. Cuando se busca de energías dinámicas que existen, se recomienda que las duraciones de la sonda se reducen al mínimo tal que sólo un estado del sistema se mide para realzar la histéresis. Como las constantes de tiempo de relajación se encuentran, se puede aumentar la duración del pulso de sondeo para mejorar la relación señal a ruido.</li>
</ol>5. tiempo-resolved STM medidas de relajación dinámica
<ol><li>Coloque la punta STM sobre silicio DB y apague el controlador actual de retroalimentación STM.</li>
	<li>Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (tal que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, establezca la VDC Vbombay Vthr en-1.8 V, 400 mV y -2,0 V, respectivamente. Nota: Los pulsos de la bomba pueden tener arbitrariamente largas duraciones (1 μs es normalmente suficiente).</li>
	<li>Enviar un tren de pulsos de bomba y sonda. Asegúrese de que los pulsos de la sonda con una amplitud inferior a las bombas y comparable a la gama en que histéresis ocurre (Vsonda < Vbomba, Vsonda + VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>Barrer el retraso entre la bomba y sonda de pulso hasta varias decenas de μs.</li>
	<li>Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la bomba. En estos experimentos, establecer la VDC Vbombay Vsonda a-1.8 V, 400 mV y 210 mV, respectivamente. Configurar el barrido del retraso relativo de-5 μs a 35 μs. Nota: Si la señal obtenida del paso anterior es bien ajuste (R2 > 0.80) por una función del decaimiento exponencial único, entonces la duración del estado transitorio preparado por el pulso de la bomba puede extraerse de la fit.</li>
</ol>6. tiempo-resolved STM medidas de excitación dinámica
<ol><li>Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (que mayor que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, configurar VDC y Vthr -1.8 V y -2,0 V, respectivamente. Sistema Vlabomba de entre 220 y 450 mV.</li>
	<li>La duración de la pulsación de la bomba de varios nanosegundos a varios cientos nanosegundos de barrido.</li>
	<li>Enviar un tren de pulsos de bomba y sonda. Los pulsos de la sonda deben tener una amplitud más pequeña que las bombas y comparable a la gama en que histéresis ocurre (Vsonda < Vbomba, Vsonda + VDC≈V hystersis). En estos experimentos, establecer Vsonda a 210 mV.</li>
	<li>Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la sonda. Nota: Si la señal obtenida es exponencial, indica que el pulso de la bomba está preparando el estado transitorio (dopante ionizado) a un ritmo que se puede extraer desde el ajuste (R2> 0.80). El protocolo descrito anteriormente es específico para los experimentos y el equipo descrito en este documento. Hay muchas avenidas potenciales para los lectores personalizar su propia configuración experimental para estudios de otros sistemas. Por ejemplo, las técnicas generales no se limitan a STMs criogénico refrescados; puede utilizarse cualquier material de punta, y que no requieren de la aguafuerte del nitrógeno. Además, un generador de función arbitraria convenientemente programada podría utilizarse para generar formas de onda de impulso doble, que negaría la necesidad de sumar dos canales independientes. Por último, cableado de menor ancho de banda puede ser utilizado31.</li>
</ol>

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

La variante del TR-STS en el cual no se aplica el pulso de la bomba es comparable a STS convencionales, excepto que el sistema es ser muestreado a una frecuencia alta en lugar de continuamente. Si la duración de los pulsos de la sonda es adecuada (>ΓLH), el TR-STS señal adquirida sin el pulso de la bomba se puede multiplicar por una constante proporcional al ciclo de deber del experimento coinciden exactamente con una STS convencional medición. Esto sólo es posible porque las mediciones se hacen sin e...

Exploración (STM) la microscopia el hacer un túnel se ha convertido en la principal herramienta en Nanociencia por su capacidad para resolver escala atómica topografía y estructura electrónica. Una limitación de STM convencional, sin embargo, es que su resolución temporal está restringida a la escala de tiempo de milisegundos debido al ancho de banda limitado de la corriente de preamplificador1. Durante mucho tiempo ha sido una meta para ampliar la resolución temporal de STM a las escalas que ocurren comúnmente procesos atómicos. Pionera en el trabajo tiempo resuelto microscopía de efecto túnel (STM-TR) por Freeman et. al. 1 utilizar interruptores fotoconductora y líneas de transmisión de Microcinta con dibujos en la muestra para transmitir impulsos de tensión del picosegundo para el cruce de túnel. Esta técnica mezcla de cruce se ha utilizado para lograr la resolución simultánea de 1 nm y 20 ps2, pero nunca ha sido adoptado ampliamente debido a la exigencia del uso de las estructuras especializadas de la muestra. Afortunadamente, la idea fundamental de estas obras se puede generalizar a muchas técnicas de tiempo resuelto; Aunque el ancho de banda de circuitos de STM se limita a varios kilohercios, la respuesta no lineal de la detección en STM permite dinámica más rápido a ser sondeado por el túnel promedio actual obtenido durante muchos ciclos de bomba-sonda de medición. En los años transcurridos, se han explorado diversos enfoques, el más popular de la que se repasa brevemente a continuación.
STM (SPPX) sacudido-pulso-par-excitada aprovecha de los avances en tecnologías láser de pulsos ultrarrápidos para lograr la resolución sub-picosegundo por iluminar directamente la salida del túnel y emocionante portadores en la muestra3. La luz láser incidente crea portadores libres que mejoran transitoriamente la conducción, y modulación de la demora entre la bomba y sonda (td) permite d/dtd a medirse con un amplificador lock-in. Porque la demora entre la bomba y sonda es modulada en lugar de la intensidad del láser, como en muchos otros enfoques ópticos, STM SPPX evita dilatación térmica inducida por la iluminación de foto de la punta3. Las extensiones más recientes de este enfoque han ampliado los plazos que SPPX STM se puede utilizar para investigar la dinámica mediante la utilización de técnicas de recolección de pulso para aumentar la gama de bomba sonda retardo veces4. Lo importante, este reciente desarrollo también proporciona la capacidad a medida (td) curvas directamente en lugar de mediante la integración numérica. Aplicaciones recientes de STM SPPX han incluido el estudio de la recombinación del portador en solo-(Mn, Fe)/GaAs(110) estructuras dinámicas5 y donantes en GaAs6. Aplicaciones de STM SPPX enfrentan algunas restricciones. La señal QUE STM SPPX medidas depende de portadores libres excitados por los pulsos ópticos y se adapta mejor a los semiconductores. Además, aunque el túnel actual se localiza en la punta, porque un área es excitado por los pulsos ópticos, la señal es una circunvolución de las propiedades locales y transporte de material. Por último, el sesgo en el cruce se fija en la escala de tiempo de medición para que la dinámica bajo estudio debe ser fotoinducida.
Una técnica óptica más reciente, terahertz (THz-STM), de STM parejas pulsos de THz de espacio libre se centró en el cruce a la punta STM. A diferencia de en SPPX-STM, los impulsos acoplados se comportan como pulsos de voltaje rápida que permite la investigación de excitaciones conducidas electrónicamente con el picosegundo resolución7. Curiosamente, la corriente rectificada había generado de los pulsos de THz resultados en densidades de corriente de pico extrema no accesibles por convencional STM8,9. La técnica se ha utilizado recientemente para estudiar electrones calientes en Si(111)-(7x7)9 y la vibración de una molécula de pentaceno solo10de la imagen. THz-pulsos par naturalmente a la punta, sin embargo, la necesidad de integrar una fuente de THz a un experimento STM es probable que sea difícil para muchos experimentadores. Esto motiva el desarrollo de otras técnicas ampliamente aplicables y fácilmente implementables.
En 2010, Loth et al. 11 desarrolló una técnica totalmente electrónico donde nanosegundo pulsos de voltaje aplicados en la parte superior un offset DC electrónicamente bombean y sonda system11. La introducción de esta técnica ofrece una demostración crítica de aplicaciones prácticas sin ambigüedades de tiempo resuelto STM para medir física previamente inadvertido. Aunque no es tan rápido como ensambladura del STM, que lo precedieron, de mezcla aplicación de pulsos de microondas hasta la punta STM permite muestras arbitrarias a investigarse. Esta técnica no requiere complicados métodos ópticos ni acceso óptico a la ensambladura del STM. Esto hace que la técnica más fácil para adaptarse a la baja temperatura STMs. La primera manifestación de estas técnicas se aplicó al estudio de la dinámica de la vuelta donde un STM polarizada vuelta fue utilizado para medir la dinámica de relajación de spin-estados excitados por los pulsos de la bomba11. Hasta hace poco, su uso seguía siendo limitado a adatom magnética sistemas12,13,14 pero tiene puesto que se ha extendido al estudio de la velocidad de captura de portador de un discreto mediados de-boquete15 del estado y carga dinámica de dopantes solo arsénico en silicio15,16. Este último estudio es el foco de este trabajo.
Estudios sobre las propiedades de solo dopantes en semiconductores recientemente han atraído considerable atención debido a semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) entrando en el régimen donde solo dopantes pueden afectar propiedades del dispositivo17 . Además, varios estudios han demostrado que los dopantes solo pueden servir como el componente fundamental de los futuros dispositivos, por ejemplo como qubits para quantum computación18 y quantum memoria19y como solo átomo transistores20 , 15. dispositivos de futuro pueden incorporar también otros defectos de la escala atómica, como el silicio colgando de bonos (DB) que pueden ser modelado con precisión atómica con STM litografía21. Para ello, DBs se han propuesto como charge qubits22, puntos cuánticos para quantum autómatas celulares arquitecturas23,24y de25,cables atómica26 y ha sido modelada para crear cuántica lógica hamiltoniano puertas27 y moléculas artificiales28,29. Avanzando, los dispositivos pueden incorporar dopantes solo y DBs. Esto es una estrategia atractiva porque DBs son defectos superficiales que fácilmente pueden ser caracterizados con STM y utilizados como asa para caracterizar dispositivos de dopant solo. Como ejemplo de esta estrategia, DBs se utilizan en este trabajo como sensores de carga para deducir la carga dinámica de dopantes cerca de la superficie. Estas dinámicas son capturadas con el uso de un enfoque totalmente electrónico TR-STM que es una adaptación de las técnicas desarrolladas por Loth et al. 11
Las mediciones se realizan en las DBs en una superficie de Si(100)-(2x1) de hidrógeno terminado. Una región de agotamiento de dopante que se extiende aproximadamente 60 nm debajo de la superficie, creado a través del tratamiento térmico del cristal30, desvincula, el DB y el pocos restantes dopantes de cerca de la superficie de las bandas a granel. Estudios STM de DBs han encontrado que su conductancia depende de parámetros de la muestra global, como la concentración de dopantes y la temperatura, pero DBs individuales también muestran fuertes variaciones dependiendo de su entorno local16. Durante una medición de STM sobre una única DB, el flujo actual se rige por la tasa en la cual electrones pueden túnel del bulto a la DB (Γgrueso) y de la DB a la punta (puntadeΓ) (figura 1). Sin embargo, porque la conducción de la DB es sensible a su entorno local, del estado de carga de dopantes cercanas influencias Γa granel (figura 1B), que puede inferirse mediante el control de la conductancia de la DB. Como resultado, la conductancia de una DB puede utilizarse para detectar los Estados de carga de dopantes cercana y puede utilizarse para determinar las tarifas que los dopantes son suministran electrones de la mayor parte (ΓLH) y perder la punta del STM (ΓHL < / c13 >). Para resolver estas dinámicas, TR-STS se realiza alrededor de los voltajes de umbral (Vthr) en la que la punta induce la ionización de dopantes cerca de la superficie. El papel de los impulsos de la bomba y la sonda es la misma en las técnicas experimentales tiempo resuelto tres presentadas aquí. La bomba transitoriamente trae el nivel diagonal de abajo a arriba Vthr, que induce la ionización dopante. Esto aumenta la conductancia de la DB, que es muestreada por el pulso de la punta de prueba que sigue a un menor sesgo.
Las técnicas descritas en este trabajo beneficiará a aquellos que desean caracterizar dinámica que ocurre en los milisegundos a nanosegundos calendario con STM. Mientras que estas técnicas no se limitan al estudio de carga dinámica, es crucial que la dinámica se manifiesta a través de cambios transitorios en la conductancia de Estados que puede ser sondeado por STM (es decir, Estados en o cerca de la superficie). Si la conductancia de los Estados transitorios no difieren significativamente al estado de equilibrio tal que la diferencia entre las corrientes transitorios y equilibrio multiplicado por el ciclo de trabajo del pulso sonda suele ser más pequeño que el ruido de los sistemas ( 1 pA), la señal se perderá en el ruido y no será detectable por esta técnica. Porque las modificaciones experimentales de sistemas STM comercialmente disponibles necesarios para realizar las técnicas descritas en este documento son modestas, se prevé que estas técnicas sea ampliamente accesibles a la comunidad.

<table><tbody><tr><td>Microscopio de efecto túnel de barrido a baja temperatura</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Hecho a medida con cableado de ancho de banda de 500 MHz</td></tr><tr><td>Función arbitraria Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>Divisor de potencia de RF</td> / <td>Combinador Mini-Circuitos</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr> <tr><td>Minicircuitos</td> de <td>conmutación RF</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr> <tr><td>Pirómetros infrarrojos sin contacto</td><td>Micras Infrarrojos</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: facilitar la investigación de dopant solo carga dinámica

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

La miniaturización de dispositivos semiconductores a escalas donde una pequeña cantidad de dopantes puede controlar propiedades del dispositivo requiere el desarrollo de nuevas técnicas capaces de caracterizar su dinámica. Investigación de dopantes solo requiere sub-nanométrica resolución espacial, que motiva el uso de microscopía de efecto túnel (STM). Sin embargo, STM convencional se limita a la resolución temporal de milisegundos. Varios métodos se han desarrollado para superar esta deficiencia, incluyendo STM tiempo resuelto totalmente electrónico, que se utiliza en este estudio para examinar la dinámica de dopante en silicio con la resolución de nanosegundo. Los métodos presentados aquí son ampliamente accesibles y permitan la medición local de una gran variedad de dinámicas en la escala atómica. Una novela de tiempo resuelto técnica espectroscopía túnel de escaneo se presenta y utiliza para buscar eficiencia dinámica.

Los resultados presentados en esta sección del texto han sido publicado previamente15,16. La figura 3 ilustra el comportamiento de un ejemplo seleccionado DB con STM convencional. Una medida de detección convencional (Figura 3A) muestra claramente un cambio brusco en la conductancia de la DB en Vthr = -2,0 V. Este comportamiento también se observa en S...

Demostrar un método totalmente electrónico para observar la dinámica de carga resuelto nanosegundo de los átomos del dopant en silicio con un microscopio de efecto túnel.

Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

El objetivo general de la microscopía electrónica de efecto túnel de barrido resuelta en el tiempo es estudiar los procesos dinámicos que ocurren a escala atómica. En estos experimentos, se estudia la dinámica cargada de los dopantes en silicio. Estos métodos se pueden utilizar para investigar fenómenos interesantes en el campo de la nanotecnología y la física, como la velocidad a la que los dopantes de los semiconductores reciben electrones o cómo se pueden utilizar las corrientes de efecto túnel para impulsar la resonancia magnética de átomos individuales.La principal ventaja de estas técnicas es que se puede estudiar la dinámica rápida sin necesidad de integrar la óptica en la unión de tunelización. Estas técnicas no se limitan a las bajas temperaturas o a los microscopios tunelización de barrido de ultra alto vacío. Para comenzar, enfríe el microscopio de efecto túnel de barrido capaz de alcanzar temperaturas de vacío ultra alto a temperaturas criogénicas.Asegúrese de que la punta del microscopio esté equipada con un cableado de alta frecuencia capaz de unos 500 megahercios. A continuación, conecte un generador de funciones arbitrarias con al menos dos canales a la punta. Prepare los ciclos de los pares de pulsos de voltaje utilizados para los experimentos de bomba-sonda configurando el generador de funciones arbitrarias para que los pulsos de voltaje de la bomba y la sonda se generen de forma independiente y se sumen antes de ser alimentados a la punta.A continuación, aplique a la muestra el voltaje de polarización de CC utilizado para la obtención de imágenes en espectroscopia convencional. A continuación, conecte dos interruptores de radiofrecuencia a los canales de salida del generador de funciones arbitrarias. Configure los interruptores para que la punta esté conectada a tierra durante el escaneo, la tunelización, la obtención de imágenes y la espectroscopia convencional.Recoja la corriente de tunelización para todas las mediciones a través de un preamplificador conectado a la muestra. Con un trazador de carburo de silicio, rasque la parte posterior de una oblea de silicio. Luego, use un par de portaobjetos de microscopio de vidrio para separar suavemente la muestra de la oblea.Asegúrate de usar pinzas de cerámica para manipular los cristales de silicona. Fije la muestra a un soporte de microscopio de exploración y tunelización. Una vez asegurado en el soporte, introdúzcalo en la cámara de ultra alto vacío.Luego, desgasifique la muestra calentándola resistivamente a 600 grados Celsius y manteniéndola a esa temperatura durante al menos seis horas en el vacío ultra alto. Una vez que la muestra se ha enfriado, use la misma cámara para desgasificar un filamento de tungsteno calentando resistivamente el filamento a 1.800 grados Celsius y esperando que el sistema se recupere a la presión base. Luego, retire el óxido de la superficie de la muestra haciendo parpadear la muestra a 900 grados Celsius y manteniéndola a esa temperatura durante 10 segundos antes de enfriarla nuevamente a temperatura ambiente.Flashear progresivamente la muestra a temperaturas más altas mientras se intenta alcanzar un destello final de 1.250 grados Celsius. Deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente después de cada destello. Para asegurarse de que la muestra permanezca limpia, aborte los destellos en los que la presión se eleva por encima de nueve veces 10 hasta el Torr negativo 10.Luego, filtre gas hidrógeno en la cámara a una presión de uno por 10 por el Torr de menos seis y caliente el filamento de tungsteno a 1.800 grados Celsius. Esto convertirá el gas en hidrógeno atómico. Mantenga la muestra en estas condiciones durante dos minutos antes de volver a colocar la muestra a 1.250 grados Celsius.Después de cinco segundos a 1.250 grados centígrados, enfríelo de nuevo a 330 grados centígrados. Mantenga la temperatura a 330 grados centígrados durante un minuto y luego cierre simultáneamente la válvula de fuga de hidrógeno y apague el filamento de tungsteno. Deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente.Finalmente, acérquese a la punta para muestrear activando el controlador de retroalimentación de corriente con un sesgo de muestra de menos 1,8 voltios, el punto de ajuste actual de 50 picoamperios y utilizando la función de enfoque automático del software de control. Tome escaneos de área de la superficie del orden de 50 por 50 nanómetros para verificar la calidad de la superficie. Debe haber grandes terrazas separadas por pasos de un solo átomo en una tasa de defectos de menos del 1%Las filas de dímeros de la reconstrucción de silicio uno cero cero dos por uno deben resolverse claramente.Los enlaces colgantes aparecen como protuberancias brillantes en las imágenes de estado de campo. Busque un área en la superficie de la muestra libre de grandes defectos superficiales tomando escaneos de área grande de 50 nanómetros por 50 nanómetros. Para caracterizar el timbre electrónico, coloque la punta sobre un átomo de hidrógeno en la superficie.Debido a que cada átomo de silicio de la superficie termina con un átomo de hidrógeno, esto es equivalente a colocar la punta sobre las filas de dímeros en la superficie. Apague el controlador de retroalimentación de corriente y luego configure el voltaje de CC a menos 1.0 voltios, luego el voltaje de la bomba a menos 0.5 voltios, el voltaje de la sonda a menos 0.5 voltios, el ancho de los pulsos de la bomba y la sonda a 200 nanosegundos y el tiempo de subida y bajada de los pulsos a 2.5 nanosegundos. A continuación, envíe una serie de trenes de pulsos de bomba y sonda en los que el retraso relativo de la bomba y la sonda se barre de menos 900 nanosegundos a 900 nanosegundos.El timbre se manifiesta a través de oscilaciones de amplitud más pequeñas en la corriente de túnel a ambos lados del origen. Al aumentar los tiempos de subida de los pulsos de 2,5 nanosegundos a 25 nanosegundos, se observa una fuerte supresión del zumbido. Elimine el anillamiento aumentando los tiempos de subida y bajada de los pulsos para obtener los resultados espectroscópicos más precisos.Sin embargo, tenga en cuenta que aumentar el ancho del pulso disminuirá la resolución. Coloque la punta sobre un enlace colgante de silicona que aparece como protuberancias brillantes en los sesgos negativos de la muestra de la punta. Apague el controlador de retroalimentación de corriente y envíe un tren compuesto solo por el pulso de la sonda utilizado como señal de referencia con una tasa de repetición de 25 kilohercios.A lo largo de una serie de trenes de pulsos, barre la polarización del pulso de la sonda en un rango de 500 milivoltios desde la polarización de CC de menos 1,8 voltios. Cada pulso debe tener un sesgo diferente. Este paso es equivalente a la espectroscopia IV estándar, pero con un ciclo de trabajo reducido.Asegúrese de que el ancho de los pulsos sea lo suficientemente largo como para obtener una relación señal/ruido de al menos 10. Envíe un tren compuesto por impulsos de bomba configurados en un sesgo fijo de modo que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. A continuación, envíe un tren compuesto por los pulsos de la bomba con los pulsos de la sonda seguidos de un retraso de 10 nanosegundos.Compare la sonda solo en la bomba y las señales de la sonda trazándolas en el mismo gráfico. Cualquier histéresis en pequeñas señales es una indicación de la dinámica que puede ser sondeada con técnicas STM resueltas en el tiempo. Para medir la dinámica de relajación, coloque la punta del microscopio sobre un enlace colgante de silicio y apague el controlador de retroalimentación actual.Luego, envíe un tren compuesto por pulsos de bomba configurados a una polarización fija tal que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. A continuación, envíe otro tren de pulsos de bomba y sonda. Asegúrese de que los impulsos de la sonda tengan una amplitud menor que la de las bombas y comparable al rango en el que se produce la histéresis.Finalmente, barra el retardo entre la bomba y el pulso de la sonda hasta varias decenas de microsegundos. Para determinar la dinámica de excitación, vuelva a enviar un tren compuesto por pulsos de bomba de modo que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. Barre la duración del pulso de la bomba de varios nanosegundos a varios cientos de nanosegundos.Luego, envíe un tren de pulsos de bomba y sonda. Los impulsos de la sonda deben tener una amplitud menor que la de las bombas y comparable al rango en el que se produce la histéresis. Utilizando la microscopía de túnel de barrido convencional, los enlaces colgantes de silicio se producen como protuberancias brillantes en las imágenes de estado de campo, sesgo negativo de la muestra.En algunos casos, muestran un cambio brusco en la conductancia a menos dos voltios. Para este enlace colgante específico, las imágenes tomadas a menos 2,1 voltios, menos dos voltios y menos 1,8 voltios también lo muestran. En estas mediciones resueltas en el tiempo, un pulso de bomba lleva transitoriamente el sistema por encima del umbral de voltaje e inmediatamente después de un pulso de sonda, interroga la conductancia del estado transitorio.Para maximizar la visibilidad de la histéresis, la duración del pulso de la sonda debe ser más corta que la tasa de relajación del estado conducido alto. Al medir la dinámica de relajación dopante, las secuencias de pulso varían en retraso entre la bomba y la sonda. Se extrae un único decaimiento exponencial que se establece en un desplazamiento fijo con el tiempo.Para los tiempos de excitación, se cambia el ancho de voltaje de la bomba de secuencia de pulsos. Al barrer el ancho de la bomba, se mapea la velocidad promedio a la que se ioniza el dopante. Es importante que caracterice cualquier timbre electrónico en la configuración de su microscopio.El timbre puede dar lugar a artefactos de señal y debe eliminarse. Además, tenga en cuenta que la eliminación del timbre mediante la extensión de la longitud del pulso da como resultado una pérdida de resolución de tiempo y deberá optimizarse. Si bien hemos demostrado la microscopía de efecto túnel de barrido resuelta en el tiempo para estudiar dopantes en silicio, estas técnicas se pueden aplicar a muchos otros sistemas físicos.La principal ventaja de estas técnicas es que no es necesario integrar ningún sistema óptico con el microscopio. No olvide que trabajar con criógenos y altos voltajes puede ser peligroso. Garantice siempre un entorno de trabajo seguro y siga el protocolo de seguridad adecuado al configurar y utilizar su microscopio.

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