走査プローブ単電子容量分光

Summary

走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。

Abstract

半導体中の個々の原子ドーパントを含む - 低温走査プローブ技術と単電子容量分光法の統合は、小規模なシステムの電子の量子構造を研究するための強力なツールを表します。ここでは、イメージの個別の原子ドーパントに十分な空間分解能を達成しながら単電子帯電を解消することが可能である地下電荷蓄積（SCA）イメージング、として知られている静電容量ベースの方法を提示。静電容量方式の使用は、半導体材料^1,2,3の表面の下に多数のナノメートル埋め込 ​​みドーパントとして地下特徴の観察を可能にする。原則的に、この技術は、絶縁表面直下の動きを解決するために、任意のシステムに適用することができる。

他の電界の影響を受けやすいスキャンしたプローブ技法⁴に示すように、測定の横方向の空間分解能はcurvaturの半径に部分的に依存するプローブ先端の電子。小さな曲率半径でのヒントを使用すると、数十ナノメートルの空間分解能を有効にすることができます。この細かい空間分解能は地下ドーパント^1,2の小さな数の調査を（下1）になります。電荷分解能は電荷検出回路の感度に大きく依存し、低温でそのような回路における高電子移動度トランジスタ（HEMT）を使用して0.3 K ⁵で約0.01エレクトロン/ Hzの^半の感度を可能にする。

Introduction

地下電荷蓄積（SCA）イメージングは​​、単電子チャージングイベントを解決することのできる低温法である。半導体中のドーパ​​ント原子の研究に適用された場合、本方法は、これらの微小系の量子井戸構造の特徴付けを可能にして、ドナーまたはアクセプター原子を入力して個々の電子を検出することができる。その中心には、SCAイメージングはローカル容量測定⁶極低温動作に適しています。静電容量、電界に基づいているので、表面⁰⁶の下に絶縁帯電解決することができる長距離効果である。低温動作は、単一電子の動きや室温^1,2で解決できないだろう量子レベル間隔の調査を可能にします。技術は、埋め込 ​​みインターフェイス⁷における二次元電子系における充電ダイナミクスを含む、絶縁表面下の電子の運動が重要である任意のシステムに適用することができ、簡潔にするために、ここでの焦点は、半導体ドーパントの研究になります。

現実的な分析は、先端^8,9の曲率を考慮して、より詳細な説明を必要とするものの、ほとんどの回路図レベルでは、この技術は、平行平板コンデンサの一方のプレートとして、スキャンしたヒントを扱います。 図1に示すように、このモデルの他のプレートは、下にある導電層のナノスケール領域である。本質的に、電荷が周期的な励起電圧に応答してドーパントに入ると、それは先端に....

Protocol

1。 PROTOCOL

1. 顕微鏡と電子機器の初期設定
   1. 関連する制御エレクトロニクスと極低温対応の走査型プローブ顕微鏡で始まる。研究に使用される顕微鏡は、試料に向かって"歩く"する慣性変換を使用して、離れて傾斜路¹³に沿って先端から（例えば、銅、真鍮、ステンレス鋼等の導電性材料から作られ、それらをにバイアス電圧を伝達することを可能にする、ここで説明図2に概略的に示さBesocke設計STM ¹⁴の一部としてサンプル）。
   2. バイアス電圧とトンネル電流同軸配線に加えて、敏感な電荷検出用の極低温増幅回路を動作させるために、顕微鏡の先端部付近まで電子機器ラックから延びる少なくとも2つの他の同軸線とアース線を提供する。参考文献5,12、および15に詳細に記載増幅回路の要素を組み立てると、その上には電子収容されているlectronicsラック、これは図2の影付きのボックスの外側回路の一部である。回路のこの部分は、実験を通して室温のままになります。
2. チップとHEMT回路（ 図2の斜線ボックス）用のチップ実装を組み立て、HEMT回路が最適なエネルギー分解能を得るために、極低温に下げられます。
   1. クリーブは、正方形のチップは、約1cmのスクライブを使用したGaAsウェハから×1センチの大きさ、センサ回路とチ....

Results

成功した測定の主な指標は、多くの他の走査プローブ法のように、再現性である。繰り返し測定は、この理由のために非常に重要である。ポイント静電容量分光法については、同じ場所で連続して多数の測定を行うと、信号対雑音比を増加させ、スプリアス信号を識別するのに役立ちます。

その他の機能は電荷蓄積画像内で識別されており、静電容量分光が行われた後、CVデータの解釈は、電圧レバーアームを決定することから始まる。電圧レバーアームは、印加V _DCへのドーパントの位置で実際のポテンシャルを関連スケールファクタです。それは本質的にドーパント層から先端の非ゼロ距離のために、直接、先端直下位置からドーパントのオフセットを任意の横を占めている。電圧レバーアームは、CV分光データ^1,8にローレンツ関数をフィッティングにより求められる^</>（商標）。絶対電圧スケールが望まれる場合、接触電位（試料からの電界線が先端で終端しない程度の電圧）はケルビンプローブ測定^1,2,3,7を介して決定されるべきである。

Discussion

この実験的な方法のための理論的基礎の詳細な説明は参考資料8と9に与えられ、参考2で地下ドーパントのシナリオに関して説明され、ここで紹介する概要は、したがって、簡潔かつ概念的になります。チップは、一コンデンサのプレートと、サンプルが他のプレートを備える基礎となる導電層として扱われる。 DC電圧が印加された場合、そのような電子は、先端に向かって引っ張られ、追加料金を収容できるように下地導電層、チップ間に位置するドーパント原子が存在する場合は、電子はドーパントに入り、従って近づける先端。静電気から、この電子の動きは、先端に反対符号の映像電荷を誘導する必要があります。直流電圧に加算される正弦波励起電圧（V _励起 ） _が電子基板層とドーパントとの間に共振するようになります。次に、画像は、wを充電するHEMTを利用して敏感な電荷検出回路によって検出され、さらに、ロックインアンプで増幅された交流信号を与えて、病気にも共振する。この充電信号は、その後、静電容量に変換することができる。

この実験の最も一般的な故障モードでは、敏感な電荷検出を可能にするHEM.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design STM	カスタム		リファレンス 14および15
STM用制御電子機器	RHKテクノロジー	SPM 1000 リビジョン7
ロックインアンプ	スタンフォードリサーチシステム	SR830
カーブトレーサー	Tektronix	Type 576
オシロスコープ	Tektronix	TDS360
Multimeter	Tektronix	DMM912
ワイヤーボンダー	WEST·BOND	7476D	with K~1200D 温度調節器
はんだごて	MPJA	301-A
クライオスタット	オックスフォード・インスツルメンツ	Heliox
Material
>Pt/Ir wire, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer	axt	S-I	実装チップ用
99.99% Auワイヤー、2 mil直径	SPM		取り付けチップ用
99.99% Auワイヤー、1 mil diameter	K&S		ワイヤーボンディング用
インジウムショット	Alfa Aesar	11026
シルバーエポキシ	Epo-Tek	EJ2189-LV	低温対応の導電性エポキシであれば何でも可
HEMT	富士通	低騒音 HEMT