Name: 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。 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: 学ぶナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡法でシリコン中の単一ドーパントの電荷ダイナミクスを調査する手法。光学的統合を必要とせず、原子スケールの高速動態を計測可能です。

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専門知識や技術のマーティン クルティエとマーク Salomons に感謝したいと思います。我々 も NRC、レベル、および AITF 金融支援ありがちましょう。

1 顕微鏡と実験の初期セットアップ
<ol><li>そもそも、超高真空極低温対応 STM および制御ソフトウェアを関連付けられています。極低温走査トンネル顕微鏡をクールします。 メモ: このレポートで超高真空を達成するためのシステムを参照 < 10 x 10-10 Torr。STM; 極低温に冷却されるべきこれは、適度な温度で熱活性化されるドーパントの電荷ダイナミクスを調査するときに特に重要です。他の部屋は、室温であります。</li>
	<li>STM 探針は高周波配線 (〜 500 MHz) 装備されていることを確認します。 注: パルス整形メソッドを使用して、標準的な極低温同軸配線 (~ 20 MHz) と STM の時間応答の大幅な増加によって報告されている Grosseら31
</li>
	<li>ポンプ ・ プローブ実験用電圧パルス対のサイクルの準備するために使用されます (図 2) の先端に少なくとも 2 つのチャネルを任意関数発生器を接続します。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブの電圧パルスが個別に生成され、先端に渡す前にまとめたように、任意関数発生器を構成します。</li>
	<li>サンプル (VDC) をイメージングおよび従来の分光用 DC バイアスを適用します。</li>
	<li>2 つの高周波スイッチを任意関数発生器の出力チャンネルに接続します。</li>
	<li>STM イメージングおよび従来の分光法の中に先端を接地され、効果的なバイアスはVDC + Vチップポンプ ・ プローブ実験 (図 4 a) の間にできるようにスイッチを構成します。</li>
	<li>トンネルのサンプルに接続されているプリアンプを介してすべての測定のための電流を収集します。</li>
</ol>2. H-Si(100)-(2x1) の再構築の準備
<ol><li>炭化ケイ素スクライバーとウェハの背中を掻くと優しくガラス顕微鏡スライドをウェハからサンプルをスナップで 3-4 mΩ·cm n 型ヒ素をドープした si (100) ウェーハからサンプルを切断します。</li>
	<li>STM ホルダーにサンプルを添付し、STM の商工会議所に隣接する超高真空チャンバーを紹介します。</li>
	<li>抵抗 (サンプルの温度を監視する温度計を使用することができます) 600 ° C に加熱して超高真空で少なくとも 6 時間その温度に保持してサンプルをドガします。 注: サンプルとサンプル ホルダー ガス抜きが基本圧近傍で安定するはずの圧力が上昇最初 (< 10-10 Torr) 数時間後。</li>
	<li>続行する前に室温に冷却するサンプルを許可します。</li>
	<li>抵抗 1800 ° C にフィラメントを加熱し基本圧力を回復するシステムを待っているサンプルと同じチャンバーにタングステン フィラメントをドガします。続行する前に、フィラメント電源を切ります。 注: サンプルすることができるために残る商工会議所このステップの間にそれがパッシベーションされるとその表面の自然酸化膜層によって、この手順から生じるサンプル表面の汚染はその後削除されます。フィラメントの温度は、特定の電流/電圧、温度計を使用してフィラメントに適用する校正する必要があります。</li>
	<li>900 ° C にサンプルを点滅し、10 の温度で保持してサンプル表面から酸化物を削除室温に冷却する前に s。圧力は、点滅する手順中に基本圧力からの大きさのいくつかの注文を増加します。このプロシージャ全体が点滅の後、部屋の温度、続行する前に基本の圧力に復旧するシステムを冷却するためのサンプルを待ちます。 注: 点滅は加熱と冷却と高いランプ速度を 100 サンプルとしてこのレポート内で定義された ° C/s。</li>
	<li>徐々 に 1250 ° c. の最後のフラッシュを達成するため高温にサンプルをフラッシュします。どこの圧力を超える 9 x 10-10 Torr サンプル表面の汚染を得ることを防ぐために任意のフラッシュを中止します。1250 ° C (2.6 の手順で加熱したフィラメントによって放たれる光は試料の温度の正確な読書を与えることから、温度計を防ぐため、この setpoint があるため) フラッシュを達成するために使用される電圧・電流を記録します。最後のフラッシュに 330 ° C にサンプルを冷却すると結晶として熱に必要な電圧・電流を確認した後、室温に冷却し、続行する前に基本圧力回復システムのサンプルを聞かせてください。</li>
	<li>1 x 10-6 Torr の圧力で商工会議所に H2ガスをリークし、1800 ° C にタングステン フィラメントを加熱 注: これは atmoic 水素32H2を割れの効果があります。</li>
	<li>1250 ° c、 5 の温度で保持してサンプルをフラッシュする前にこれらの条件を 2 分間でサンプルを保持する s、および 330 ° C に冷却</li>
	<li>330 ° c の露出の 1 分後に、同時に H2リーク バルブを閉め、タングステン フィラメントをオフに、部屋の温度にサンプルを冷ます。 注: これらの高いフラッシュ温度サンプル中のドーパント分布に影響を与えます。1250 ° C に加熱はサンプル表面30近く 〜 60 nm ドーパント空乏領域を誘導するために発見されています。</li>
	<li>サンプルの品質を確認するには、表面の STM 像を撮影します。 注意: 良いサンプルは大きい、(> 30 nm x 30 nm) の不良率とテラス < 1% (債券、吸着、吸着等をブラブラ) デモンストレーションを古典的な Si(100)-(2x1) 復興32, ダイマー列があると互いにステップ エッジ (図 3 b) の間で平行を実行します。</li>
</ol>3. トンネル接合のポンプ ・ プローブ パルスの品質を評価します。
<ol><li>50 pA の現在 setpoint と-1.8 V のサンプル バイアス電流フィードバック コント ローラーを魅力的な STM 探針を試料表面に近づきます。 注: これらの条件の下で先端と推定される < 1 試料表面から nm。STM 探針を使った作品は、多結晶タングステンを化学的にエッチングによって製作されました。それは Rezeqらによく記載されているプロシージャをエッチング窒素を使用してさらに研ぎ澄まされました。33。</li>
	<li>広域スキャン (例えば、 50 nm x 50 nm) で大規模な表面欠陥から無料サンプル表面の領域を探します。</li>
	<li>STM の位置は転倒 H-Si 表面上における STM 像 (図 3 b) ダイマー列として表示されます。</li>
	<li>現在のフィードバック コント ローラーをオフにします。</li>
	<li>-1.0 V VDC 、-0.5 V Vポンプ、-0.5 V Vプローブ200 にポンプ ・ プローブのパルスの幅を設定、ns と 2.5 にパルスの立上り/立下り時間 ns (図 4 a)。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブの相対遅延は-900 から掃引、ポンプ ・ プローブのパルスの列車のシリーズを送信 900 に ns ns。</li>
	<li>トンネル電流ポンプ プローブまでの時間の関数としてプロットします。それは可能性が高い強いリンギング (ポンプ ・ プローブのパルスは、図 4 b間の相対遅延の関数として現在のトンネルの振動) を示します。 注意: Python と起源のソフトウェアは、プロット、分析、およびこの原稿の収集したデータを評価する使用されました。</li>
	<li>3.1-3.5 の手順を繰り返しますが、パルスの立上り/立下り時間を増加します。立上り/立下り時間が増加しており、減少リンギングします。 注: 最も正確な分光学的結果を提供するリンギングを排除するほうが望ましいが、これらの技術の時間分解能は、使用するパルスの幅に制限。25 ns の立上り時間は、この作品に使用されました。</li>
</ol>4 時間分解走査トンネル分光法 (STS-TR)
<ol><li>STM の位置先端シリコン DB、負のチップ-試料バイアス (図 3 b) で明るい突起として表示されます。</li>
	<li>STM 電流フィードバック コント ローラーの電源を切ります。</li>
	<li>
25 kHz の繰り返し率プローブ パルスのみで構成される列車を送信します。パルス列のシリーズ、以上 500 の範囲でプローブのパルスのバイアスを掃引-1.8 V の DC バイアスから mV。 注: この簡単な実験は、従来の STS バイアスの範囲にわたってコンダクタンスをサンプリングする場所に似ています。<ol>
<li>なること、結果のスペクトルの信号対雑音比 (それぞれ異なるバイアス) パルス列の時間を構成する > 10。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプ> V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、500 VDC、 Vのポンプ、およびVthrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。 注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。</li>
	<li>
電車から成る 10 の遅延が続いてプローブ パルス ポンプ ・ パルスを送信 ns。これらの実験で 500 ポンプ パルスの振幅を設定 mV とプローブ パルスのスイープを 50 から 500 の mV。 注: この実験では、プローブのパルス、サンプリング従来 STS にサンプリングする平衡状態よりもむしろポンプ パルスにより作製した状態です。<ol>
<li>このステップから収集された信号を表示する/評価するときポンプ パルスのみが適用されたときに得られた信号を減算します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>プローブのみを比較し、同じグラフでそれらをプロットすることによってポンプ + プローブ信号します。2 つの信号の任意の履歴は、ダイナミクスを時間分解 STM 技術で検出できるの示します。 注: 固定プローブのパルスの範囲を維持し、粗く DC をスキャンによって、(0.25 V ステップで、たとえば)、オフセット 1 はこのダイナミクス技術にアクセスできるを識別するサンプルの全体のエネルギー範囲にマップ効率的にできます。実験によってパルス持続時間を変更できます。ポンプ光パルスの幅は、それは一貫して、不純物をイオン化されるようにドーパントがイオン化され、速度を超える必要があります。一般に、プローブの期間必要があります研究、動的なプロセスと同じ順序のなど 2 コンダクタンス状態の平均値をサンプリングなし最大信号で測定することができます。ダイナミクスでエネルギーを探して存在する場合は、そのヒステリシスを強化するシステムの 1 つだけの状態を測定プローブの期間を最小化をお勧めします。緩和時間の定数が見つかったら、信号対雑音比を改善するために、プローブのパルスの持続時間が増やせます。</li>
</ol>5. 時間分解 STM 緩和ダイナミクスの測定
<ol><li>シリコン DB 上 STM 探針を置き、STM 電流フィードバック コント ローラーをオフにします。</li>
	<li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプ> V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、400 VDC、 Vのポンプ、およびVthrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。 注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さく、ヒステリシスで範囲に匹敵するが発生することを確認 (Vプローブ< Vポンプ、 Vプローブ+ VDC≈V復元力)。</li>
	<li>数十 μ s までポンプ ・ プローブのパルス間の遅延時間を掃引します。</li>
	<li>ポンプ光パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。これらの実験に-1.8 V、400 VDC、 Vのポンプ、および V のプローブを設定 mV と 210 mV、それぞれ。相対遅延掃引を-5 μ s から 35 μ s に設定します。 注: から得られる信号前のステップがよく合う (R2 > 0.80) 単一の指数関数的減衰関数によって、ポンプ光パルスによる非定常状態の寿命から抽出できますフィット。</li>
</ol>6. 時間分解 STM 励起ダイナミクスの測定
<ol><li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプより大きい > V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験でVDCとVthr -1.8 V、-2.0 V、それぞれ設定します。Vポンプ220 ~ 450 mV の間を設定します。</li>
	<li>数ナノ秒から数百ナノ秒にポンプ パルスの時間を掃引します。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さくしてくださいヒステリシスで範囲に匹敵するに発生します (Vプローブ< Vポンプ、 Vプローブ+ VDC≈V復元力)。これらの実験で 210 Vのプローブを設定 mV。</li>
	<li>プローブ パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。 メモ: 得られた信号が指数関数の場合それをポンプ光パルスが、フィットから抽出することができますレートで過渡状態 (ドーパント) を準備している (R2> 0.80)。上記で説明したプロトコルは実験とその装置の記載に固有です。他のシステムの研究、独自の実験のセットアップをカスタマイズする読者のための多くの潜在的な道があります。一般的な手法は低温冷却 STMs; に限定されないなど、先端素材を使用ことができますと窒素エッチングは必要ありません。さらに、適切にプログラムされた任意関数発生器は、2 つの独立したチャネルを合計する必要性を否定するでしょう、二重パルス波形を生成する使用できます。最後に、帯域幅の低いケーブル使用31可能性があります。</li>
</ol>

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</ol>

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

TR STS ポンプ パルスは適用されませんのバリアントは、継続的ではなく高周波でサンプリングされているシステムが従来の STS に匹敵します。プローブ パルスの期間が適切な場合 (>ΓLH)、TR STS 信号なしで従来の STS と正確に一致する実験のデューティ サイクルに比例定数をポンプ光パルスを乗算できますを取得測定。測定は、ロックイン アンプ、低域通過フィルターの使用により信号が不明な部分を弱めるだろうそれ以外の場合を使用せず作られていますので、これはのみ可能です。これは避けてらによって用いられる方法間に有意差です。11この作品で取り上げた。ロックイン アンプの使用は、測定の感度を向上させるのに使用できますが、TR STS の従来の STS 測定との直接比較を防ぐことができます。この感度が必要なシステムでオンにロックイン アンプ追加感度、ダイナミクス、実験者効率的に検索するようなオフにロックイン アンプとコンサートの両方の方法が使えることが予想されます。中に励起と緩和ダイナミクスの解析。
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走査型トンネル顕微鏡 (STM) 原子スケール地形と電子構造を解決する能力のためのナノサイエンスのプレミア ツールとなっています。従来 STM の制限の 1 つは、ただし、現在プリアンプ1の限られた帯域幅のための時空間解像度をミリ秒タイム スケールに限定されることです。それは長い原子過程がよく発生するスケールを STM の時間分解能を拡張するための目標をされています。時間分解走査トンネル顕微鏡 (STM-TR) フリーマンらによって先駆的な作業します。1は、光導電スイッチとマイクロ ストリップ線路のトンネル接合するピコ秒電圧パルスを送信するサンプルのパターンを活用しました。このジャンクション混合技法は、1 nm と 20 ps2の同時解像度を達成するために使用されていますが、それは広く採用されている特殊なサンプルの構造を使用しての要件のため。幸いにも、これらの作品から得た基本的な洞察力は多く時間分解テクニックに一般化できます。STM の回路の帯域幅が複数のキロヘルツに限られているにもかかわらず、STM における非線型 I(V) 応答は多くのポンプ ・ プローブ サイクルで得られた平均トンネル電流を測定することによりプローブの高速ダイナミクスをできます。その間、多くのアプローチが検討されている、最も人気のある、以下の見直しについて簡単にします。
動揺パルス ペア-励起 (時間) STM は、トンネル接合を直接照明とエキサイティングなキャリア サンプル3のサブピコ秒の分解能を達成するために超高速パルスレーザ技術の進歩の活用します。入射レーザー光が一過性伝導を高める無料のキャリアを作成し、ポンプ ・ プローブ (td) 間の遅延の変調により d の私/dtdロックイン アンプで測定します。ポンプとプローブの間の遅延は、他の多くの光学的アプローチのように、レーザーの強度ではなく変調ので時間 STM は、ヒント3の写真照明による熱膨張を回避できます。このアプローチの最近の拡張は、ポンプ-プローブ遅延時間4の範囲を拡大するパルス ピッキングのテクニックを用いたダイナミクスを調べるに使用できます時間 STM をタイム スケールを拡張しています。重要なは、この最近の開発には、数値積分ではなく直接私(td) 曲線を測定する機能も提供します。時間 STM の最近のアプリケーションにシングル キャリア再結合の研究が含まれている (Mn, Fe)/GaAs(110) 構造 GaAs65とドナーのダイナ ミックス。時間 STM のアプリケーションいくつかの制限に直面します。時間 STM 測定信号光パルス励起自由キャリアによって異なります、半導体に最適です。さらに、トンネル電流が、先端に局地的大面積の光パルスによって興奮しているので、信号はローカル プロパティと物質輸送の畳み込み。最後に、接合部のバイアスは、研究挙動に光誘起測定タイム スケールで固定されます。
最近の光学技術、テラヘルツ STM (THz STM)、STM 探針の接合部に焦点を当てたフリー スペース THz パルスをカップルします。異なり、時間 STM で結合パルスのサブピコ秒解像度7と電子的に駆動の励起の調査を可能にする高速な電圧パルスとして動作します。興味深いことに、整流電流による thz 電磁波のパルスから結果アクセスできない極端なピーク電流密度で従来 STM8,9。最近では Si(111)-(7x7)9におけるホット エレクトロンを勉強し、イメージの10単一のペンタセン分子の振動技術が使用されました。THz パルスは、当然のことながら先端にカップル、しかし、STM 実験 THz 光源を統合する必要性が多くの実験者に挑戦する可能性があります。これは、他の広く適用可能で、容易に実装可能な技術の開発を動機します。
2010 年、メノイティウスら11は、ナノ秒電圧パルス DC オフセットの上に電子的に適用がポンプし、プローブ システム11のすべての電子技術を開発しました。この技術の導入は、以前無視された物理学を測定する時間分解 STM の明確かつ実用的なアプリケーションの重要なデモを提供しています。それを先立つ STM を混合接合として早くは無いは STM 探針にマイクロ波パルスを適用することを検討する任意のサンプルを許可します。この手法では、複雑な光学的方法または STM 接合部に光アクセスを必要はありません。低温 STMs に適応する最も簡単な方法になります。これらの技術の最初のデモは、ポンプ パルス11によって励起されたスピン状態の緩和ダイナミクスを測定するスピン偏極 STM を用いてスピンダイナミクスの研究に適用しました。15の状態し、電荷ダイナミクスの離散ミッド ギャップからキャリア捕捉率の調査に拡張されて以来最近まで、応用磁気吸着システム12,13,14に残った限定ですが、シリコン15,16の単一ヒ素ドーパント。後者の研究は、この作品の焦点です。
半導体における単一ドーパントの性質に関する研究最近注目されている重要な相補的金属酸化物半導体 (CMOS) が政権に入る今単一ドーパントがデバイスのプロパティ17 に影響を与えることができるので.さらに、いくつかの研究は、単一ドーパントが将来のデバイスの基本的なコンポーネントとして、たとえば18量子計算と量子メモリ19、量子ビットとして、単一原子トランジスタ20として役立つことができることを実証しています。,15. 将来のデバイスも STM リソグラフィ21原子精度でパターン化することができます債券 (DB) をぶら下がっているシリコンなどの他の原子欠陥を組み込む可能性があります。このために、DBs は電荷量子ビット22, 量子ドット量子セルオート マトンのアーキテクチャ23,24、および原子ワイヤー25,26として提案されているし、を作成するパターン化されています。量子ハミルトニアン ロジック ゲート27と人工分子28,29。今後は、デバイスは、単一ドーパントと DBs の両方を組み込むことができます。DBs は表面欠陥の簡単に STM を用いた特徴し、単一ドーパント デバイスを特徴付けるためにハンドルとして使用することができますので、これは魅力的な戦略です。この戦略の例として DBs は、地表付近のドーパントの充電のダイナミクスを推論する、充電センサーとしてこの作品で使用されます。これらのダイナ ミックスが TR STM は避けてらが開発した技術から適応する方法がすべて電子の使用が記録されます。11
測定は、水素終端処理した Si(100)-(2x1) 表面上の Db を選択で実行されます。約 60 の拡張ドーパント空乏領域30結晶の熱処理によって作成される水面下 nm DB と一括バンドからいくつかの残り表面近くのドーパントを分離します。DBs の STM 観察のコンダクタンスはドーパントの温度・濃度などのグローバル サンプルのパラメーターに依存しているが、個々 の DBs もローカル環境16によって強い変化を表示を発見しました。単一 DB 上 STM 測定、時に電流の流れは DB (Γバルク) に一括と先端 (Γ先端) に DB からの電子でトンネルできます率によって支配される (図 1)。ただし、DB の伝導がローカル環境に敏感であるので近くドーパントの荷電状態の影響Γバルク(図 1 b) を DB のコンダクタンスを監視することによって推定することができます。その結果、DB のコンダクタンス近くドーパントの電荷状態を感知するためとドーパントが、料金一括 (ΓLH) からの電子を供給する使用ことができ、STM 探針、彼らを失う (ΓHL </c13 >)。これらのダイナ ミックスを解決するには、周りで先端は表面近傍の不純物のイオン化を誘発するしきい値電圧 (V木) TR STS が実行されます。ポンプ ・ プローブのパルスの役割は、ここで紹介 3 時間分解実験的手法で同じです。ポンプ一過性上をもたらしますバイアス レベル下からVthr、ドーパント イオン化を誘導します。これは次のより低いバイアスにプローブのパルスによってサンプリングされた DB のコンダクタンスを増加します。
このペーパーで説明したテクニックで STM を用いたナノ秒タイム スケールにミリ秒単位で発生するダイナミクスを特徴付けるしたい方お越しください。これらの技術は、電荷ダイナミクスを勉強に限定されない、STM (すなわち合衆国の上または表面近く) によって検出できる状態のコンダクタンスの非定常変化を介してダイナミクスが現れていることが重要です。プローブ パルスのデューティ サイクルはシステム ノイズ ・ フロアよりも小さい (通常一時的な状態のコンダクタンスがないと著しく異なる場合平衡状態から過渡平衡電流の違いを掛けたように1 pA)、信号がノイズで失われる、この手法では検出されません。本稿で説明した手法を実行するために必要な市販の STM システムの実験的変更は控えめなので、これらの技術は広くコミュニティにアクセス可能になりますが予想されます。

<table><tbody><tr><td>低温走査型トンネル顕微鏡</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>カスタムメイド 500MHz帯域幅配線</td></tr><tr><td>任意機能ジェノレーター</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>RFパワースプリッター/コンバイナー</td><td>ミニ回路</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr> <tr><td>RFスイッチ</td><td>ミニ回路</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr><tr><td>非接触赤外線パイロメーター</td><td>マイクロン赤外線</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

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。

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

ドーパントの小さな数字がデバイスのプロパティを制御することができますスケールに半導体デバイスの微細化には、そのダイナミクスを特徴付けることができる新たな技術の開発が必要です。単一ドーパントの調査と、走査トンネル顕微鏡 (STM) の使用に動機を与えるサブナノ空間分解能が必要です。ただし、従来 STM は、ミリ秒時間分解能に限定されます。いくつか方法は、ナノ秒単位の精度を持つシリコンのドーパントのダイナミクスを調べる本研究で使用されているすべての電子の時間分解 STM を含む、この欠点を克服するために開発されています。ここで示される方法は広くアクセス可能なさまざまなダイナ ミックスを原子スケールでのローカル測定を可能にします。小説時間分解走査トンネル分光法を提示、ダイナミクスを効率的に検索するために使用します。

テキストのこのセクションに示された結果は、以前に発行された15,16をされています。選択例の動作を図 3に示します従来 STM を用いた DB。Vthrで DB のコンダクタンスの急激な変化を明確に示しています従来 I(V) 測定 (図 3 a)-2.0 V を =。DB がそれぞれに明るい突起、点状突起と暗い不況の外観を持つ-2.1 V (図 3 b、左のパネル)、-2.0 V (中央のパネル)、および-1.8 V (右側のパネル) で撮影した STM 画像でこの現象が発生もします。この移行は、DB の上に直接位置するオフ z コント ローラーとV木、2 つのレベルの結果が電信ノイズ (<stron...

走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

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

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。

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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。...

走査プローブ単電子容量分光

この論文は、走査型トンネル顕微鏡研究のためのクーロン不純物で装飾されたゲートチューナブルグラフェンデバイスの製造プロセスを詳述しています。荷電不純物の存在下でのグラフェンの空間依存性電子構造をマッピングすると、局所的なクーロン電位に応答する相対論的電荷担体のユニークな振る舞いが明らかになります。...

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

シリコン金属酸化物半導体量子ドットに基づく単電子ポンプに関連する製造プロセスと実験的特性評価技術が議論されています。...

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

半導体材料の転位および粒界の光学的、電気的、構造的特性は、走査型電子顕微鏡で行われる実験によって決定することができます。電子顕微鏡は、陰極発光、電子ビーム誘起電流、および反射電子の回折を調べるために使用されてきました。...

走査型電子顕微鏡による半導体材料における拡張欠陥の総合的な特性評価

このプロトコルは、ナノスケールの動的プロセスを観察するために使用されるような、水にAuNPsの透過型電子顕微鏡を走査するための液体流試料ホルダの動作を説明します。...

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

ここでは、構造と界面の水 submolecular...

構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる

ここでは、提案する、柱状の光励起分子中の局所構造の変形の観察を可能にする時間分解赤外振動分光法、電子回折の差分検出解析のプロトコル液晶、原子の視点を与える構造とこの光活性物質の動態との関係。...

光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

不純物の部位占有量を推定する定量的微分分析法の概要を、少数種、光元素、酸素空孔、その他の点線/平面欠陥から確実に抽出する電子ビーム揺動条件下での電子チャネリング現象を利用して提供します。...

電子チャネリング強化マイクロ分析による結晶材料における機能的ドーパント/点欠陥の定量的原子部位解析

この研究は、原子分解能透過電子顕微鏡イメージングにおける原子位置追跡のワークフローを提示する。このワークフローは、オープンソースのMatlabアプリ(EASY-STEM)を使用して実行されます。...

電子顕微鏡によるピソメーク精度原子位置追跡

このプロトコルでは、表面増強ラマン散乱分光法とイメージングを使用して、単一ナノ粒子上の電気化学的事象をモニタリングする方法について説明しています。...

表面増強ラマン散乱分光法および顕微鏡法による単一ナノ粒子の電気化学の追跡

ここでは、光熱オフレゾナンスタッピング(PORT)による生体分子の相互作用を観察するためのイメージングプロトコルを示し、イメージングパラメータを最適化し、システム限界を特定し、3点スターDNAモチーフアセンブリのイメージングにおける潜在的な改善を調査しました。...

光熱オフレゾナンスタッピングを用いたDNA三点星モチーフ自己組織化の高速原子間力顕微鏡イメージング

学ぶナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡法でシリコン中の単一ドーパントの電荷ダイナミクスを調査する手法。光学的統合を必要とせず、原子スケールの高速動態を計測可能です。

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。

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