Name: Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de Dopant (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Découvrez la microscopie à effet tunnel résolue en temps pour étudier la dynamique des dopants dans le silicium à l'échelle atomique. Cette méthode électronique atteint une résolution temporelle de la nanoseconde sans optique intégrée.

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Nous tenons à remercier Martin Cloutier et Mark Salomons pour leur expertise technique. Nous remercions également le NRC, le CRSNG et AITF pour un soutien financier.

1. installation du Microscope et expériences
<ol><li>Commencez par un ultra STM cryogéniques capable de vide et le logiciel de contrôle associé. Cool la STM à des températures cryogéniques. Remarque : Tout au long de ce rapport, ultravide se rapporte aux systèmes qui atteindre < 10 x 10-10 Torr. La STM devrait être refroidie à des températures cryogéniques ; Ceci est particulièrement important lors de l’enquête sur la dynamique de la charge des dopants, thermiquement activées à des températures modestes. Autres chambres peuvent être à température ambiante.</li>
	<li>Veiller à ce que la pointe de la STM est équipée de câblage haute fréquence (~ 500 MHz). Remarque : En utilisant une impulsion méthodes de mise en forme, une grande augmentation dans le temps de réponse d’un STM avec câblage coaxial standard température cryogénique (~ 20 MHz) a été rapportée par Grosse et al. 31
</li>
	<li>Connecter un générateur de fonctions arbitraires au moins deux canaux jusqu'à l’extrémité (Figure 2), qui serviront à préparer les cycles des paires de pulse de tension utilisés pour des expériences de pompe-sonde.</li>
	<li>Configurer le générateur de fonctions arbitraires afin que les impulsions de tension pompe et la sonde sont générées de manière indépendante et a résumé avant d’être introduit dans la pointe.</li>
	<li>Appliquer la tension de polarisation DC utilisée pour la spectroscopie d’imagerie et conventionnelle à l’échantillon (VDC).</li>
	<li>Connectez deux commutateurs de radiofréquence aux canaux de sortie du générateur fonctions arbitraires.</li>
	<li>Configurer les commutateurs afin que la pointe est fondée au cours de la spectroscopie d’imagerie et conventionnelle du STM, et la partialité apparente est VDC + Vpointe au cours d’expériences de pompe-sonde (Figure 4 a).</li>
	<li>Recueillir le tunnel actuel pour toutes les mesures par un préamplificateur relié à l’échantillon.</li>
</ol>2. préparation de la Reconstruction de H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>Cliver un échantillon d’une plaquette de Si(100) de 3-4 mΩ·cm-taper l’arsenic dopé en grattant l’arrière de la plaquette avec une pointe à tracer en carbure de silicium et en coupant délicatement l’échantillon au large de la tranche avec des lames de microscope de verre.</li>
	<li>Apposer l’échantillon à un porte-échantillon STM et l’introduire à une chambre à vide ultra adjacente à la chambre de la STM.</li>
	<li>Une solution contenant l’échantillon en chauffant resistively à 600 ° C (un pyromètre peut être utilisé pour surveiller la température de l’échantillon) et en tenant à cette température pendant au moins 6 h en ultravide. Remarque : La pression va augmenter au départ que l’échantillon et le porte-échantillon et dégazer, mais devraient se stabiliser près de la pression de base (< 10-10 Torr) après plusieurs heures.</li>
	<li>Laisser l’échantillon refroidir à température ambiante avant de continuer.</li>
	<li>Une solution contenant un filament de tungstène dans la même chambre que l’échantillon par resistively chauffage filament à 1800 ° C et attendre pour le système à récupérer à base pression. Désactiver le filament avant de continuer. Remarque : L’échantillon peut rester dans la chambre au cours de cette étape car il est passivé par la couche d’oxyde natif à sa surface, et toute contamination de la surface de l’échantillon de cette étape sera supprimée par la suite. La température du filament devra être étalonné à une spécifique courant/tension appliquée au filament à l’aide d’un pyromètre.</li>
	<li>Retirer l’oxyde de la surface de l’échantillon en clignotant de l’échantillon jusqu'à 900 ° C et en tenant à cette température pendant 10 s avant de refroidir à température ambiante. La pression augmente plusieurs ordres de grandeur de la pression de base au cours de la procédure de clignotante. Après chacune des flashes trouvés tout au long de cette procédure, attendez que l’échantillon se refroidir à température ambiante et le système pour récupérer de la pression de base avant de continuer. NOTE : Le clignotant est défini dans le présent rapport comme le chauffage et le refroidissement de l’échantillon avec des taux de rampe haute, l’ordre de 100 ° C/s.</li>
	<li>Flash progressivement l’échantillon à des températures plus élevées alors qu’il tentait d’atteindre un final flash de 1250 ° C. Abandonner tout flash où la pression s’élève au-dessus de 9 x 10-10 Torr pour empêcher la surface de l’échantillon d’avoir contaminé. Enregistrer la tension/courant utilisé pour atteindre les 1250 ° C flash (la lumière émise par le filament chauffé à l’étape 2.6 empêchera un pyromètre de donner une lecture précise de la température de l’échantillon, et donc cette consigne devrait être utilisé). Sur le final flash, déterminer la tension/courant nécessaire pour chauffer l’échantillon à 330 ° C que le cristal est refroidi, puis laissez l’échantillon refroidir à température ambiante et laisser le système récupérer à base pression avant de continuer.</li>
	<li>Fuite de gaz de2 H dans la chambre à une pression de 1 x 10-6 Torr et chauffer le filament de tungstène à 1800 ° C. Remarque : Cela a pour effet de fissuration de l’H2 atmoic hydrogène32.</li>
	<li>Maintenez l’échantillon dans ces conditions pendant 2 min avant de flasher l’échantillon à 1250 ° C, , tenant à cette température pendant 5 s et refroidissement à 330 ° C.</li>
	<li>Après 1 min d’exposition à 330 ° C, en même temps fermer la vanne de fuite de2 H, éteignez le filament de tungstène et laisser refroidir les échantillons à la température ambiante. Remarque : Ces hautes températures flash affectent la distribution des dopants dans l’échantillon. Chauffage à 1250 ° C s’est avéré d’induire une région de déplétion ~ 60 nm dopant près de la surface de l’échantillon30.</li>
	<li>Vérifier la qualité de l’échantillon en prenant des images de la surface de la STM. NOTE : Les bons échantillons auront grande (> 30 nm x 30 nm) terrasses avec un taux de défaut de < 1 % (balançant les molécules adsorbées, atomes adsorbés, obligations, etc.) et fera la démonstration de la classique Si(100)-(2x1) reconstruction32, qui comporte des lignes de dimère traversant antiparallèles les uns bords (Figure 3 b).</li>
</ol>3. évaluation de la qualité des impulsions pompe-sonde à la jonction Tunnel
<ol><li>Approcher l’extrémité de la STM à la surface de l’échantillon en se livrant à l’actuel contrôleur de feedback avec une consigne actuelle de 50 pA et un biais d’échantillon de -1.8 V. Remarque : Dans ces conditions, la pointe est estimée à < 1 nm de la surface de l’échantillon. La pointe de la STM utilisée dans ce travail a été produite par gravure chimique tungstène polycristallin. Il était affûté en utilisant un azote gravure intérieur, qui est bien décrite dans Rezeq et al. 33.</li>
	<li>Recherchez une zone sur la surface de l’échantillon exempt de gros défauts de surface en prenant des scans de grande surface (p. ex., 50 nm x 50 nm).</li>
	<li>Position de la STM basculer un H-Si sur la surface, qui apparaissent comme les lignes de dimère d’images STM (Figure 3 b).</li>
	<li>Désactiver le régulateur de courant commentaires</li>
	<li>La valeur VDC à -1,0 V, Vpompe à -0,5 V, Vsonde à -0,5 V, la largeur des impulsions pompe et sonde à 200 ns et le temps de montée/descente des impulsions à 2,5 ns (Figure 4 a).</li>
	<li>Envoyer une série de trains d’impulsions de la pompe et la sonde où le retard relatif de la pompe et la sonde est balayé de -900 ns à 900 ns.</li>
	<li>Tracer le tunnel actuel en fonction du délai entre la pompe et la sonde. Il démontrera probablement fortes sonneries (oscillations dans le tunnel actuel en fonction du délai relatif entre les impulsions de la pompe et sonde, Figure 4 b). Remarque : Logiciel Python et origine servaient à tracer, d’analyser et évaluer les données rassemblées pour ce manuscrit.</li>
	<li>Répétez les étapes 3.1 à 3.5, mais augmenter les temps de montée/descente des impulsions. La sonnerie va diminuer car les temps de montée/descente sont augmentés. Remarque : On a voulu éliminer sonne pour fournir les résultats spectroscopiques plus précises, toutefois, la résolution temporelle de ces techniques est limitée à la largeur des impulsions utilisées. 25 ns montée fois ont été utilisés pour ce travail.</li>
</ol>4. time-Resolved Scanning Tunneling spectroscopie (TR-m)
<ol><li>Position de la STM basculer un silicium DB, qui apparaissent comme des saillies lumineuses à des biais de pointe-échantillon négatifs (Figure 3 b).</li>
	<li>Désactiver le contrôleur de rétroaction actuel de STM.</li>
	<li>
Envoyer qu'un train composé de seulement l’impulsion de la sonde avec un taux de répétition de 25 kHz. Au cours d’une série de trains d’impulsions, balayer la partialité de l’impulsion de la sonde sur une plage de 500 mV de la partialité de DC de -1,8 V. Remarque : Cette expérience simple est analogue au STS classiques où la conductance est échantillonnée sur une gamme de biais.<ol>
<li>Configurer la durée des trains d’impulsions (chacun avec un biais différent) tels que les spectres qui en résultent ont un rapport signal sur bruit > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vthr -1,8 V, 500 mV et -2,0 V, respectivement. NOTE : Les impulsions de la pompe peuvent avoir arbitrairement longues durées (1 µs est généralement suffisant).</li>
	<li>
Envoyer un train composé des impulsions de la pompe avec les impulsions de sonde suivies d’un retard de 10 ns. Dans ces expériences, réglez l’amplitude de l’impulsion de la pompe que 500 mV et du balayage pulsation sonde de 50 à 500 mV. Remarque : Dans cette expérience, le pouls de la sonde est d’échantillonnage l’état établi par le pouls de la pompe, plutôt que l’état d’équilibre échantillonnés en STS classiques.<ol>
<li>Soustraire le signal obtenu seulement le pouls de la pompe a été appliquée lors de l’affichage/évaluer le signal prélevé à cette étape.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Comparer la sonde seulement et la pompe + sonde signaux en leur traçant dans le même graphe. Toute hystérésis dans les deux signaux est une indication de la dynamique qui peut être sondée avec résolution temporelle des techniques STM. Remarque : En maintenant la gamme de l’impulsion de sonde fixée et numérisation grossièrement le DC offset (incréments de 0,25 V, par exemple), un peut mapper efficacement la gamme d’énergie totale de l’échantillon afin d’identifier la dynamique accessible à la technique. Durées d’impulsion peuvent être modifiées selon l’expérience. La largeur de l’impulsion de la pompe doit être plus long que le taux auquel le dopant est ionisé, telle qu’il ionise constamment le dopant. En général, durées de la sonde doivent être du même ordre que le processus dynamique à l’étude, telles que le signal maximal peut être mesuré sans goûter une moyenne des conductance de deux États. Lorsque la recherche d’énergies à la dynamique qui existe, il est recommandé que les durées de la sonde sont minimisées telles que seul un État du système est mesuré afin d’améliorer l’hystérésis. Que se trouvent les constantes de temps de relaxation, la durée de l’impulsion de la sonde peut être augmentée pour améliorer le rapport signal sur bruit.</li>
</ol>5. time-resolved STM mesures de Relaxation dynamique
<ol><li>Placer l’extrémité de la STM sur un silicium DB et désactiver le contrôleur de rétroaction actuel de STM.</li>
	<li>Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vthr -1,8 V, 400 mV et -2,0 V, respectivement. NOTE : Les impulsions de la pompe peuvent avoir arbitrairement longues durées (1 µs est généralement suffisant).</li>
	<li>Envoyer un train d’impulsions de la pompe et la sonde. Faire en sorte que les impulsions de la sonde ont une amplitude plus petits que les pompes et comparable à la gamme à laquelle hystérésis (Vsonde < Vpompe,sonde de V+ VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>Balayer le délai entre la pompe et la sonde impulsion jusqu'à plusieurs dizaines de µs.</li>
	<li>Soustraire le signal obtenu lorsque seulement le pouls de la pompe a été appliqué. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vsonde -1,8 V, 400 mV et 210 mV, respectivement. Régler le balayage de retard relatif de μs-5 à 35 μs. Remarque : Si le signal obtenu de l’étape précédente est bien adapté (R2 > 0,80) par une fonction simple de décroissance exponentielle, alors la durée de vie de l’état transitoire, préparé par l’impulsion de la pompe peut être extraites de l’ajustement.</li>
</ol>6. time-resolved STM mesures d’Excitation dynamique
<ol><li>Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que supérieur à VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez le VDC et Vthr -1,8 V et -2,0 V, respectivement. Mettre lapompe de Ventre 220 et 450 mV.</li>
	<li>Balayer la durée de l’impulsion de la pompe de nanosecondes plusieurs à plusieurs cent nanosecondes.</li>
	<li>Envoyer un train d’impulsions de la pompe et la sonde. Les impulsions de la sonde doivent avoir une amplitude plus petits que les pompes et comparable à la gamme à laquelle hystérésis se produit (Vsonde < Vpompe,sonde de V+ VDC≈V hystersis). Dans ces expériences, la valeur Vsonde 210 mV.</li>
	<li>Soustraire le signal obtenu lorsque seulement le pouls de la sonde a été appliqué. Remarque : Si le signal obtenu est exponentiel, cela indique que le pouls de la pompe se prépare l’état transitoire (ionisé dopant) à un taux qui peut être extraite de la fit (R2> 0,80). Le protocole décrit ci-dessus est spécifique pour les expériences et le matériel décrit ci-après. Il y a beaucoup d’avenues possibles pour les lecteurs de personnaliser leur propre montage expérimental pour l’étude des autres systèmes. Par exemple, les techniques générales ne sont pas limités à STMs refroidi par cryogénie ; tout matériau de pointe peut être utilisé, et ils ne nécessitent pas de mordançage de l’azote. En outre, un générateur de fonctions arbitraires opportunément programmée pourrait être utilisé pour générer des signaux de deux impulsions, qui nient la nécessité de faire la somme des deux canaux indépendants. Enfin, le câblage de bande passante inférieure pourrait être utilisé31.</li>
</ol>

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</ol>

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

La variante de TR-STS dans lequel les impulsions de la pompe ne sont pas appliquée est comparable à mailles classiques, sauf que le système est à échantillonner à une fréquence élevée plutôt qu’en continu. Si les durées d’impulsions de la sonde sont appropriées (>ΓLH), le TR-STS signal acquis sans l’impulsion de la pompe peut être multipliée par une constante proportionnelle à rapport cyclique de l’expérience pour coïncider exactement avec une maille conventionnelle mesure. Cela n’est possible car les...

Scanning tunneling microscope (STM) est devenu le premier outil en nanoscience pour sa capacité à résoudre la topographie de l’échelle atomique et de la structure électronique. Une des limitations des STM classique, cependant, sont que sa résolution temporelle est restreinte à l’échelle de temps de milliseconde à cause de la largeur de bande limitée du préamplificateur actuel1. Il a longtemps été un but de prolonger la résolution temporelle de la STM à l’échelle sur laquelle se produisent généralement des processus atomiques. Le pionnier de travailler résolution temporelle microscopie à effet tunnel (STM-TR) par Freeman et al. 1 utilisé photoconducteurs commutateurs et lignes de transmission microruban calquées sur l’échantillon pour transmettre des impulsions de tension picoseconde à la jonction du tunnel. Cette technique de jonction-mélange a été utilisée pour atteindre la résolution simultanée de 1 nm et 20 ps2, mais elle n’a jamais été largement adoptée en raison de l’exigence de l’utilisation de structures spécialisées d’échantillon. Heureusement, l’intuition fondamentale tirée de ces œuvres peut être généralisée aux nombreuses techniques de résolution temporelle ; même si la bande passante du circuit de la STM est limitée à plusieurs kilohertz, la réponse non linéaire d’embouche dans STM permet une dynamique plus rapide à être sondé par le tunnel d’actuel moyens obtenu au cours de plusieurs cycles de pompe-sonde de mesure. Dans l’intervalle, plusieurs approches ont été explorées, dont les plus populaires sont brièvement examinés ci-dessous.
Secoué-paire-pompés par impulsion (SPPX) STM profite des avancées dans les technologies de laser pulsé ultrarapide de parvenir à picoseconde par éclairant directement la jonction tunnel et excitant des transporteurs dans l' exemple3. Lumière laser incident crée des porteurs libres qui augmentent transitoirement conduction et modulation du délai entre la pompe et la sonde (td) permet dI/dtd à mesurer avec un amplificateur à verrouillage. Parce que le délai entre la pompe et la sonde est modulé plutôt que l’intensité du laser, comme dans nombreuses autres approches optiques, SPPX-STM évite photo induite par l’illumination dilatation thermique de l' extrémité3. Les extensions plus récentes de cette approche ont prolongé les délais sur lesquels SPPX-STM peut être utilisé pour étudier la dynamique en utilisant des techniques de cueillette des impulsions pour augmenter la gamme de pompe-sonde retard fois4. Ce qui est important, cette évolution récente fournit également la possibilité de mesurer les courbes j’ai(td) directement plutôt que par l’intermédiaire de l’intégration numérique. Les applications récentes de SPPX-STM ont inclus l’étude de la recombinaison de transporteur en single-(Mn, Fe)/GaAs(110) structures dynamiques5 et donateurs GaAs6. Demandes de SPPX-STM face à certaines restrictions. Le signal QUE SPPX-STM mesures dépend des porteurs libres excités par les impulsions optiques et est mieux adapté aux semi-conducteurs. En outre, bien que le tunnel actuel est localisé à la pointe, parce qu’une grande surface est excitée par les impulsions optiques, le signal est une convolution des propriétés locales et transport des matériaux. Finalement, le biais à la jonction est fixé à l’échelle de temps de mesure afin que la dynamique à l’étude doit être photoinduit.
Une technique plus récente optique, térahertz (THz-STM), de STM couples impulsions THz d’espace libre centrées sur la jonction à la pointe de la STM. Contrairement à dans SPPX-STM, les impulsions couplées se comportent comme des impulsions de tension rapide permettant à l’enquête d’excitations pilotées électroniquement avec picoseconde résolution7. Fait intéressant, le courant redressé générée à partir des impulsions THz résultats dans les densités de courant de pointe extrême n’est pas accessibles par conventionnel STM8,9. La technique a été utilisée récemment pour étudier les électrons chauds en Si(111)-(7x7)9 et l’image de la vibration d’une molécule de pentacène unique10. THz-impulsions couple naturellement à la pointe, cependant, la nécessité d’intégrer une source THz à une expérience de la STM est susceptible d’être difficile de nombreux expérimentateurs. Ce qui motive l’élaboration d’autres techniques largement applicables et facilement réalisables.
En 2010, Loth et al. 11 a développé une technique entièrement électronique où nanoseconde de tension appliquée sur le dessus un offset DC électroniquement pompe et sonde le système11. L’introduction de cette technique a offert une démonstration critique d’applications sans ambiguïté et pratiques de résolution temporelle STM pour mesurer auparavant non prise en charge physique. Bien qu’il n’est pas aussi rapide que la jonction mélange STM, qui l’a précédée, appliquant des impulsions de micro-ondes à la pointe de la STM permet les échantillons arbitraires à être l’objet d’une enquête. Cette technique ne nécessite pas des méthodes optiques compliquées ou accès optique à la jonction de la STM. Ce qui rend la technique plus facile de s’adapter à basse température STMs. La première de la démonstration de ces techniques a été appliqué à l’étude de spin-dynamique où un spin polarisé STM a été utilisé pour mesurer la dynamique de relaxation de spin-états excités par les impulsions de pompe11. Jusqu'à tout récemment, son application est restée limité à atome adsorbé magnétique systèmes12,13,14 , mais a depuis été étendu à l’étude des taux de capture de porteurs d’un écart moyen discret d’état15 et charge dynamique des dopants unique de l’arsenic dans le silicium15,16. Cette étude fait l’objet de ce travail.
Études sur les propriétés des dopants unique dans les semi-conducteurs ont récemment attiré beaucoup d’attention parce que les dispositifs à semiconducteurs (CMOS) oxyde de métal complémentaire entrent maintenant dans le régime où seul dopants peuvent affecter les propriétés du périphérique17 . En outre, plusieurs études ont démontré que les dopants unique peuvent servir la composante fondamentale des futurs appareils, par exemple comme qubits pour quantum computation18 et quantique mémoire19, ainsi que seul atome transistors20 , 15. dispositifs d’avenir peuvent également incorporer des autres défauts de l’échelle atomique, tels que le silicium balançant bond (DB) qui peut être modelé avec une précision atomique avec STM Lithographie21. À cette fin, DBs ont été proposés comme frais qubits22, boîtes quantiques pour quantum automates cellulaires architectures23,24et fils atomique25,26 et ont été modelés pour créer quantique logique hamiltonien portes27 et molécules artificielles28,29. Aller de l’avant, dispositifs peuvent incorporer des dopants unique et DBs. Il s’agit d’une stratégie séduisante car DBs sont des défauts de surface qui peuvent facilement être caractérisées avec la STM et utilisées comme poignée pour caractériser les dispositifs dopant unique. Comme exemple de cette stratégie, DBs sont utilisés dans ce travail comme capteurs de charge pour déduire la charge dynamique des dopants près de la surface. Ces dynamiques sont capturés à l’aide d’une approche entièrement électronique de TR-STM qui est une adaptation des techniques développées par Loth et al. 11
Des mesures sont effectuées sur DBs sélectionnés sur une surface de Si(100)-(2x1) d’hydrogène résilié. Une région de déplétion de dopant s’étendant approximativement de 60 nm sous la surface, créé par traitement thermique du cristal30, dissocie la DB et les quelques dopants restants de près de la surface des bandes en vrac. Études de la STM de DBs ont constaté que leur conductance dépend des paramètres de l’échantillon global, tel que la concentration des dopants et la température, mais DBs individuels montrent également de fortes variations selon leur environnement local16. Au cours d’une mesure de la STM sur une base de données unique, le flux de courant est régi par le taux auquel peuvent passer les électrons de la majeure partie de la DB (Γen vrac) et de la DB à l’extrémité (AstuceΓ) (Figure 1). Cependant, parce que la conduction de la DB est sensible à son environnement local, l’état de charge des dopants à proximité des influences Γen vrac (Figure 1 b), qui peuvent être déduites en surveillant la conductance de la DB. En conséquence, la conductance d’une DB peut être utilisée pour détecter les États de charge des dopants à proximité et peut être utilisée pour déterminer le taux auquel les dopants sont fournis des électrons de la masse (ΓLH) et les perdre à la pointe de la STM (ΓHL < / c13 >). Pour résoudre ces dynamiques, TR-STS s’effectue autour de la tension de seuil (Vthr) au cours de laquelle la pointe induit d’ionisation des dopants près de la surface. Le rôle d’impulsions de la pompe et la sonde est identique dans les trois techniques expérimentales temporelle présentées ici. La pompe transitoirement amène le biais niveau par-dessous à au-dessus de Vthr, qui induit une ionisation de dopant. Cela augmente la conductance de la DB, ce qui est échantillonné par l’impulsion de la sonde qui fait suite à un biais plus bas.
Les techniques décrites dans cet article permet aux gens souhaitant caractériser la dynamique qui se produisent sur la milliseconde à nanoseconde calendrier avec la STM. Bien que ces techniques ne se limitent pas à l’étude dynamique de la charge, il est crucial que la dynamique se manifestent par des modifications passagères de la conductance des États qui peuvent être sondé par STM (c'est-à-dire les États sur ou près de la surface). Si la conductance des États transitoires ne diffère pas significativement de l’état d’équilibre, tel que la différence entre les courants transitoires et équilibre multipliée par le cycle d’utilisation de pulsation sonde est plus petit que le bruit de fond des systèmes (en général 1 pA), le signal se perdra dans le bruit et ne sera pas détectable par cette technique. Parce que les modifications expérimentales des systèmes STM commercialement disponibles requis pour effectuer les techniques décrites dans cet article sont modestes, il est prévu que ces techniques seront également accessibles à la communauté.

<table><tbody><tr><td>Microscope à effet tunnel à balayage basse température</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Fabriqué sur mesure avec un câblage à bande passante de 500 MHz</td></tr><tr><td>Générateur à fonction arbitaraire</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>Mini-circuits</td><td>de séparateur / combinateur de puissance RF</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr> <tr><td>Mini-circuits</td> <td>de commutation RF</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr> <tr><td>Pyromètres infrarouges sans contact</td><td>Micron infrarouge</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

entièrement électronique résolue en nanosecondes tunneling microscope à balayage : faciliter l’investigation de la dynamique de charge unique de dopant

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

La miniaturisation des dispositifs à semi-conducteurs pour échelles où un petit nombre de dopants peut contrôler les propriétés du périphérique exige le développement de nouvelles techniques capables de caractériser leur dynamique. Enquêter sur des dopants unique nécessite résolution spatiale sous nanomètre, qui motive l’utilisation de la microscopie à effet tunnel (STM). Cependant, STM conventionnelle est limitée à la résolution temporelle de milliseconde. Plusieurs méthodes ont été développées pour pallier cet inconvénient, y compris tout électronique STM résolution temporelle, qui est utilisée dans cette étude pour examiner la dynamique de dopant dans le silicium avec résolution de nanosecondes. Les méthodes présentées ici sont largement accessibles et permettant de mesurer les locaux d’une grande variété de dynamique à l’échelle atomique. Un roman résolution temporelle analyse technique de la spectroscopie tunneling est présentée et est utilisée pour rechercher efficacement la dynamique.

Les résultats présentés dans cette section du texte ont été publiées antérieurement15,16. La figure 3 illustre le comportement d’un exemple choisi DB avec STM classique. Une mesure conventionnelle de l’embouche (Figure 3 a) illustre clairement un changement brusque de la conductance de la DB à Vthr = -2,0 V. Ce comportement s’observe aussi dans STM ima...

Nous démontrons une méthode entièrement électronique afin d’observer la dynamique de l’accusation résolue en nanosecondes d’atomes de dopant dans le silicium avec un microscope à effet tunnel.

Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de Dopant

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

L’objectif global de la microscopie à effet tunnel à balayage électronique résolue dans le temps est d’étudier les processus dynamiques qui se produisent à l’échelle atomique. Dans ces expériences, la dynamique chargée des dopants dans le silicium est étudiée. Ces méthodes peuvent être utilisées pour étudier des phénomènes intéressants dans le domaine de la nanotechnologie et de la physique, tels que la vitesse à laquelle les dopants des semi-conducteurs sont alimentés en électrons ou comment les courants à effet tunnel peuvent être utilisés pour entraîner la résonance magnétique d’atomes individuels.Le principal avantage de ces techniques est qu’il est possible d’étudier la dynamique rapide sans qu’il soit nécessaire d’intégrer l’optique dans la jonction à effet tunnel. Ces techniques ne se limitent pas aux microscopes à effet tunnel à basse température ou à ultra-vide poussé. Pour commencer, refroidissez le microscope à effet tunnel capable d’ultra-vide à des températures cryogéniques.Assurez-vous que la pointe du microscope est équipée d’un câblage haute fréquence capable d’environ 500 mégahertz. Ensuite, connectez un générateur de fonctions arbitraires avec au moins deux canaux à la pointe. Préparez les cycles des paires d’impulsions de tension utilisées pour les expériences pompe-sonde en configurant le générateur de fonctions arbitraires de sorte que les impulsions de tension de la pompe et de la sonde soient générées indépendamment et additionnées avant d’être introduites dans la pointe.Ensuite, appliquez à l’échantillon la tension de polarisation CC utilisée pour l’imagerie en spectroscopie conventionnelle. Ensuite, connectez deux commutateurs de fréquence radio aux canaux de sortie du générateur de fonctions arbitraires. Configurez les commutateurs de manière à ce que l’embout soit mis à la terre pendant le balayage, l’effet tunnel, l’imagerie et la spectroscopie conventionnelle.Collecter le courant tunnel pour toutes les mesures grâce à un préamplificateur connecté à l’échantillon. À l’aide d’un traceur en carbure de silicium, grattez le dos d’une plaquette de silicium. Ensuite, utilisez une paire de lames de microscope en verre pour détacher doucement l’échantillon de la plaquette.Assurez-vous d’utiliser une pince à épiler en céramique pour manipuler les cristaux de silicium. Fixez l’échantillon sur un support de microscope à effet tunnel. Une fois fixé dans le support, introduisez-le dans la chambre à ultra-vide poussé.Ensuite, dégazez l’échantillon en le chauffant résistivement à 600 degrés Celsius et en le maintenant à cette température pendant au moins six heures dans l’ultravide. Une fois l’échantillon refroidi, utilisez la même chambre pour dégazer un filament de tungstène en chauffant résistivement le filament à 1 800 degrés Celsius et en attendant que le système revienne à la pression de base. Ensuite, retirez l’oxyde de la surface de l’échantillon en faisant clignoter l’échantillon à 900 degrés Celsius et en le maintenant à cette température pendant 10 secondes avant de le refroidir à température ambiante.Faites clignoter progressivement l’échantillon à des températures plus élevées tout en essayant d’atteindre un flash final de 1 250 degrés Celsius. Laissez l’échantillon refroidir à température ambiante après chaque flash. Pour s’assurer que l’échantillon reste propre, l’interruption clignote lorsque la pression dépasse neuf fois 10 jusqu’à moins 10 Torr.Ensuite, laissez échapper de l’hydrogène gazeux dans la chambre à une pression de un fois 10 puissance moins six Torr et chauffez le filament de tungstène à 1 800 degrés Celsius. Cela permettra de craquer le gaz en hydrogène atomique. Maintenez l’échantillon dans ces conditions pendant deux minutes avant de le ramener à 1 250 degrés Celsius.Après cinq secondes à 1 250 degrés Celsius, refroidissez-le à 330 degrés Celsius. Maintenez la température à 330 degrés Celsius pendant une minute, puis fermez simultanément la soupape de fuite d’hydrogène et éteignez le filament de tungstène. Laissez l’échantillon refroidir à température ambiante.Enfin, approchez-vous de la pointe à échantillonner en engageant le contrôleur de retour de courant avec une polarisation d’échantillonnage de moins 1,8 volts, le point de consigne actuel de 50 picoampères et en utilisant la fonction d’approche automatique du logiciel de contrôle. Prenez des balayages de surface de l’ordre de 50 par 50 nanomètres pour vérifier la qualité de la surface. Il devrait y avoir de grandes terrasses séparées par des pas d’un seul atome dans un taux de défaut inférieur à 1 %Les rangées de dimères de la reconstruction du silicium un zéro zéro deux par un devraient être clairement résolues.Les liaisons pendantes apparaissent sous forme de protubérances brillantes dans les images d’état de champ. Recherchez une zone sur la surface de l’échantillon exempte de défauts de surface importants en prenant des balayages de grandes surfaces de 50 nanomètres sur 50 nanomètres. Pour caractériser la résonance électronique, positionnez la pointe sur un atome d’hydrogène à la surface.Étant donné que chaque atome de silicium de surface est terminé par un atome d’hydrogène, cela équivaut à positionner la pointe sur les rangées de dimères à la surface. Éteignez le contrôleur de retour de courant, puis réglez la tension CC à moins 1,0 volts, puis la tension de la pompe à moins 0,5 volts, la tension de la sonde à moins 0,5 volts, la largeur des impulsions de la pompe et de la sonde à 200 nanosecondes et le temps de montée et de descente des impulsions à 2,5 nanosecondes. Ensuite, envoyez une série de trains d’impulsions de pompe et de sonde où le retard relatif de la pompe et de la sonde est balayé de moins 900 nanosecondes à 900 nanosecondes.La résonance se manifeste par des oscillations de plus petite amplitude dans le courant à effet tunnel des deux côtés de l’origine. En augmentant les temps de montée sur les impulsions de 2,5 nanosecondes à 25 nanosecondes, une forte suppression de la résonance est observée. Éliminez les bourdonnements en augmentant les temps de montée et de descente des impulsions pour obtenir les résultats spectroscopiques les plus précis.Cependant, sachez que l’augmentation de la largeur de l’impulsion diminuera la résolution. Positionnez l’extrémité sur une liaison pendante en silicium qui apparaît comme des protubérances brillantes à des biais d’échantillon de pointe négatifs. Éteignez le contrôleur de retour de courant et envoyez un train composé uniquement de l’impulsion de la sonde utilisée comme signal de référence avec un taux de répétition de 25 kilohertz.Sur une série de trains d’impulsions, balayez la polarisation de l’impulsion de la sonde sur une plage de 500 millivolts à partir de la polarisation CC de moins 1,8 volts. Chaque impulsion doit avoir un biais différent. Cette étape est équivalente à la spectroscopie IV standard, mais avec un rapport cyclique réduit.Assurez-vous que la largeur des impulsions est suffisamment longue pour obtenir un rapport signal/bruit d’au moins 10. Envoyer un train composé d’impulsions de pompe réglées à une polarisation fixe de sorte que la tension continue ajoutée à la tension de pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Ensuite, envoyez un train composé des impulsions de la pompe avec les impulsions de la sonde suivies d’un retard de 10 nanosecondes.Comparez la sonde uniquement dans la pompe et les signaux de la sonde en les traçant sur le même graphique. Toute hystérésis dans de petits signaux est une indication de la dynamique qui peut être sondée avec des techniques STM résolues en temps. Pour mesurer la dynamique de relaxation, placez la pointe du microscope sur une liaison pendante en silicium et éteignez le contrôleur de rétroaction de courant.Ensuite, envoyez un train composé d’impulsions de pompe réglées à un biais fixe de telle sorte que la tension continue ajoutée à la tension de pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Ensuite, envoyez un autre train d’impulsions de pompe et de sonde. Assurez-vous que les impulsions de la sonde ont une amplitude inférieure à celle des pompes et comparable à la plage à laquelle l’hystérésis se produit.Enfin, balayez le délai entre la pompe et l’impulsion de la sonde jusqu’à plusieurs dizaines de microsecondes. Pour déterminer la dynamique d’excitation, envoyez à nouveau un train composé d’impulsions de pompe de sorte que la tension continue ajoutée à la tension de la pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Balayez la durée de l’impulsion de la pompe de quelques nanosecondes à plusieurs centaines de nanosecondes.Ensuite, envoyez un train d’impulsions de pompe et de sonde. Les impulsions de la sonde doivent avoir une amplitude inférieure à celle des pompes et comparable à la plage à laquelle l’hystérésis se produit. En utilisant la microscopie à effet tunnel conventionnelle, les liaisons pendantes en silicium se produisent sous forme de protubérances lumineuses dans les images d’état de champ, biais d’échantillonnage négatif.Dans certains cas, ils présentent un changement brusque de la conductance à moins deux volts. Pour cette liaison pendante spécifique, des images prises à moins 2,1 volts, moins deux volts et moins 1,8 volts le montrent également. Dans ces mesures résolues en temps, une impulsion-pompe amène transitoirement le système au-dessus du seuil de tension et, immédiatement après une impulsion de sonde, interroge la conductance de l’état transitoire.Pour maximiser la visibilité de l’hystérésis, la durée de l’impulsion de la sonde doit être plus courte que le taux de relaxation de l’état conduit élevé. Lors de la mesure de la dynamique de relaxation dopante, les séquences d’impulsions varient en retard entre la pompe et la sonde. Une seule décroissance exponentielle est extraite qui s’installe à un décalage fixe avec le temps.Pour les temps d’excitation, la largeur de tension de la pompe à séquence d’impulsions est modifiée. En balayant la largeur de la pompe, le taux moyen d’ionisation du dopant est cartographié. Il est important que vous caractérisiez toute bague électronique dans la configuration de votre microscope.La sonnerie peut entraîner des artefacts de signal et doit être éliminée. Sachez également que l’élimination de la résonance en allongeant la longueur d’impulsion entraîne une perte de résolution temporelle et devra être optimisée. Bien que nous ayons démontré que la microscopie à effet tunnel à balayage résolu dans le temps permet d’étudier les dopants dans le silicium, ces techniques peuvent être appliquées à de nombreux autres systèmes physiques.Le principal avantage de ces techniques est qu’il n’est pas nécessaire d’intégrer des systèmes optiques à votre microscope. N’oubliez pas que travailler avec des cryogènes et des tensions élevées peut être dangereux. Assurez-vous toujours d’un environnement de travail sûr et suivez le protocole de sécurité approprié lors de l’installation et de l’utilisation de votre microscope.

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