すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

電子時間分解走査型トンネル顕微鏡の全体的な目標は、原子スケールで発生する動的プロセスを研究することです。これらの実験では、シリコン中のドーパントの荷電ダイナミクスが研究されます。これらの方法は、半導体中のドーパントに電子が供給される速度や、トンネル電流を使用して個々の原子の磁気共鳴を駆動する方法など、ナノテクノロジーや物理学の分野で興味深い現象を調査するために使用できます。

これらの手法の主な利点は、トンネル接合部に光学系を統合することなく、高速ダイナミクスを研究できることです。これらの技術は、低温顕微鏡や超高真空走査型トンネル顕微鏡に限定されません。まず、超高真空から極低温まで対応している走査型トンネル顕微鏡を冷却します。

顕微鏡の先端に約500メガヘルツの高周波配線が装備されていることを確認してください。次に、先端に少なくとも2つのチャネルを持つ任意の関数発生器を接続します。ポンプとプローブの電圧パルスが独立して生成され、チップに供給される前に合計されるように任意の関数発生器を構成して、ポンプ-プローブ実験に使用する電圧パルスペアのサイクルを準備します。

次に、従来の分光法でイメージングに用いたDCバイアス電圧をサンプルに印加します。次に、2つの無線周波数スイッチを任意の関数発生器の出力チャネルに接続します。スキャン、トンネリング、イメージング、および従来の分光法中にチップが接地されるようにスイッチを構成します。

サンプルに接続されたプリアンプを介して、すべての測定のトンネリング電流を収集します。炭化ケイ素スクライバーを使用して、シリコンウェーハの裏側を引っ掻きます。次に、ガラス顕微鏡スライドを使用して、サンプルをウェーハからそっとスナップします。

シリコン結晶の取り扱いには、必ずセラミックピンセットを使用してください。サンプルを走査型トンネル顕微鏡ホルダーに貼り付けます。ホルダーに固定したら、超高真空チャンバーに導入します。

次に、サンプルを抵抗加熱して摂氏600度に加熱し、その温度を超高真空で少なくとも6時間保持して脱気します。サンプルが冷却されたら、同じチャンバーを使用して、フィラメントを摂氏1,800度に抵抗的に加熱し、システムがベース圧力に回復するのを待つことにより、タングステンフィラメントを脱気します。次に、サンプルを摂氏900度までフラッシュし、その温度で10秒間保持してから室温に戻すことにより、サンプル表面から酸化物を取り除きます。

サンプルを徐々に高温にフラッシュし、摂氏1、250度の最終フラッシュに到達しようとします。フラッシュのたびにサンプルを室温まで冷まします。サンプルをクリーンな状態に保つために、圧力が10の9倍を超えてマイナスの10Torrに上昇すると、アボートフラッシュが点滅します。

次に、水素ガスを1×10の圧力でチャンバー内に漏れさせ、マイナス6トルにし、タングステンフィラメントを摂氏1,800度に加熱します。これにより、ガスが原子状水素に分解されます。これらの条件でサンプルを2分間保持してから、サンプルを摂氏1度、250度に戻します。

摂氏1、250度で5秒後、摂氏330度まで冷却します。摂氏330度で1分間保持した後、水素漏れバルブを閉じると同時に、タングステンフィラメントをオフにします。サンプルを室温まで冷まします。

最後に、電流帰還コントローラを負の1.8Vのサンプルバイアス、50ピコアンペアの電流設定値で接続し、制御ソフトウェアの自動アプローチ機能を使用して、チップをサンプルにアプローチします。50 x 50ナノメートルのオーダーで表面のエリアスキャンを行い、表面の品質を確認します。1%未満の欠陥率で単一の原子ステップで区切られた大きなテラスがあるはずですシリコンの二量体列、ゼロゼロ、2つずつの再構成は明確に解決する必要があります。

ぶら下がっているボンドは、フィールド状態画像では明るい突起として表示されます。50ナノメートル×50ナノメートルの大面積スキャンを行うことにより、サンプル表面上に大きな表面欠陥がない領域を探します。電子リンギングの特性を評価するには、チップを表面の水素原子の上に置きます。

各表面のシリコン原子は水素原子で終端されているため、これは表面の二量体列に先端を配置することと同じです。電流帰還コントローラの電源をオフにし、DC電圧をマイナス1.0ボルトに設定し、次にポンプ電圧をマイナス0.5ボルト、プローブ電圧をマイナス0.5ボルト、ポンプとプローブパルスの幅を200ナノ秒、パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間を2.5ナノ秒に設定します。次に、ポンプとプローブのパルスの列を連続して送信し、ポンプとプローブの相対的な遅延をマイナス900ナノ秒から900ナノ秒にスイープします。

リンギングは、原点の両側のトンネル電流の振幅が小さい振動によって現れます。パルスの立ち上がり時間を2.5ナノ秒から25ナノ秒に増やすと、リンギングの強力な抑制が観察されます。パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間を長くすることでリンギングを排除し、最も正確な分光結果を得ることができます。

ただし、パルスの幅を大きくすると分解能が低下することに注意してください。チップをシリコンダングリングボンド(負のチップサンプルバイアスで明るい突起として現れる)の上に置きます。電流帰還コントローラをオフにし、基準信号として使用されるプローブパルスのみで構成される列車を25キロヘルツの繰り返し周波数で送信します。

一連のパルス列で、プローブ パルスのバイアスを、負の 1.8 ボルトの DC バイアスから 500 ミリボルトの範囲でスイープします。各パルスには異なるバイアスが必要です。このステップは、標準的なIV分光法と同等ですが、デューティサイクルが減少しています。

パルスの幅が、信号対雑音比が少なくとも10になるのに十分な長さであることを確認してください。ポンプ電圧に加算される直流電圧が閾値電圧よりも大きくなるように、固定バイアスに設定されたポンプパルスで構成された列車を、繰り返し周波数25キロヘルツで送る。次に、プローブパルスとそれに続く10ナノ秒の遅延を伴うポンプパルスで構成される列車を送信します。

ポンプ信号とプローブ信号を同じグラフにプロットして、プローブのみを比較します。小さな信号のヒステリシスは、時間分解STM技術でプローブできるダイナミクスの指標です。緩和ダイナミクスを測定するには、顕微鏡の先端をシリコンダングリングボンドの上に置き、電流フィードバックコントローラーをオフにします。

次に、ポンプ電圧に加算される直流電圧が閾値電圧よりも大きくなるように、固定バイアスに設定されたポンプパルスで構成された列車を、繰り返し周波数25キロヘルツで送ります。次に、ポンプパルスとプローブパルスの別の列を送信します。プローブパルスの振幅がポンプよりも小さく、ヒステリシスが発生する範囲に匹敵することを確認してください。

最後に、ポンプとプローブパルスの間の遅延を最大数十マイクロ秒までスイープします。励起ダイナミクスを決定するために、ポンプ電圧に加算されたDC電圧が25キロヘルツの繰り返し周波数でしきい値電圧よりも大きくなるように、ポンプパルスで構成される列車を再度送ります。ポンプパルスの持続時間を数ナノ秒から数百ナノ秒にスイープします。

次に、ポンプパルスとプローブパルスの列を送信します。プローブパルスの振幅は、ポンプよりも小さく、ヒステリシスが発生する範囲に匹敵する必要があります。従来の走査型トンネル顕微鏡では、シリコンダングリングボンドは、フィールドステート画像のネガティブサンプルバイアスに明るい突起として発生します。

場合によっては、マイナス2ボルトでコンダクタンスの急激な変化を示します。この特定のダングリングボンドについては、マイナス2.1ボルト、マイナス2ボルト、マイナス1.8ボルトで撮影された画像もこれを示しています。これらの時間分解測定では、ポンプパルスがシステムを過渡的に電圧閾値より上にし、プローブパルスの直後に過渡状態のコンダクタンスを調べます。

ヒステリシスの視認性を最大化するには、プローブパルスの持続時間を高伝導状態の緩和速度よりも短くする必要があります。ドーパント緩和ダイナミクスを測定する場合、パルスシーケンスはポンプとプローブ間の遅延が異なります。単一の指数関数的減衰が抽出され、時間とともに固定オフセットに落ち着きます。

励起時間については、パルスシーケンスポンプ電圧幅が変更されます。ポンプの幅をスイープすることにより、ドーパントがイオン化される平均速度がマッピングされます。顕微鏡のセットアップで電子リンギングを特徴付けることが重要です。

リンギングは信号アーチファクトを引き起こす可能性があるため、排除する必要があります。また、パルス長を延長してリンギングをなくすと、時間分解能が失われるため、最適化する必要があることに注意してください。私たちは、シリコン中のドーパントを研究するための時間分解走査型トンネル顕微鏡を実証しましたが、これらの技術は他の多くの物理システムにも適用できます。

これらの技術の主な利点は、光学システムを顕微鏡に統合する必要がないことです。極低温物質や高電圧での作業は危険な場合があることを忘れないでください。顕微鏡のセットアップと使用の際は、常に安全な作業環境を確保し、適切な安全プロトコルに従ってください。