스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광학

Summary

스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.

Abstract

반도체의 개별 원자 도펀트를 포함하여 - 저온 스캐닝 프로브 기술과 단일 전자 용량 분광법의 통합은 소규모 시스템의 전자 양자 구조를 연구 할 수있는 강력한 도구를 나타냅니다. 여기에서 우리는 이미지 개별 원자 도핑에 충분한 공간 분해능을 달성하면서 단일 전자 충전을 해결 할 수 지하 충전 축적 (SCA) 이미지로 알려진 용량 기반의 방법을 제시한다. 정전 용량 기술의 사용은 반도체 재료 ^1,2,3의 표면 아래에 많은 나노 미터 묻혀 도펀트로 지하 기능을 관찰 할 수 있습니다. 원칙적으로,이 기술은 단열 표면 아래의 전자 움직임을 해결하기 위해 모든 시스템에 적용 할 수 있습니다.

다른 전기장에 민감한 스캔 프로브 기술 ^4에서와 같이, 측정의 측면 공간 해상도는 curvatur의 반경 부분에 따라 달라집니다프로브 팁의 전자. 곡률 반경이 작은과 팁을 사용하여 나노 미터의 수십의 공간 해상도를 설정할 수 있습니다. 이 좋은 공간 해상도는 지하 도펀트 ^1,2의 작은 숫자의 조사 (아래 하나) 할 수 있습니다. 충전 해상도는 충전 감지 회로의 감도에 따라 크게 차이, 극저온의 온도에서 같은 회로에서 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 약 0.01 전자 / Hz의 감도를 가능 ^½ 0.3 K ^5시.

Introduction

지하 충전 축적 (SCA) 영상은 단 전자 충전 이벤트를 해결 할 수있는 저온 방법입니다. 반도체 도펀트 원자의 연구에 적용 할 때,이 메소드는이 분 시스템의 양자 구조의 특성을 허용, 기증자 또는 셉터 원자를 입력 개별 전자를 감지 할 수 있습니다. 그 중심에서 SCA 영상은 현지 캐패시턴스 측정 ⁶ 극저온 운전에 적합합니다. 용량은 전기 분야를 기반으로하기 때문에, 그것은 표면에게 ⁶ 단열 아래 충전 해결할 수있는 장거리 효과입니다. 저온 작업은 상온 ^1,2에서 해석 할 수없는 것입니다 단일 전자 모션 및 양자 레벨 간격의 조사를 허용합니다. 이 기술은 묻혀 인터페이스 ⁷ 2 차원 전자 시스템에서 충전 역학을 포함, 절연 표면 아래의 전자 움직임이 중요한 모든 시스템에 적용 할 수 있으며, 간결, 여기에서 초점은 반도체 도핑 연구에있을 것입니다.

현실적인 분석 팁 ^8,9의 곡률 계정에 대한 자세한 설명을 필요로하지만 대부분의 개략적 인 수준에서,이 기술은 평행 판 콘덴서의 하나의 판으로 스캔 팁을 처리합니다. 그림 1과 같이이 모델의 다른 플레이트는 기본 실시 층의 나노 영역입니다. 충전주기 여기 전압에 대한 응답으로 도펀트를 입력 본질적으로, 그것은 끝이 가까워지고,이 운동은 센서 회로 ^5를 검출 팁에 대한 자세한 이미지 충전을 유도합니다. 마찬가지로, 충전 종료 불순물을 같이 첨단의 이미지 요금이 감소합니다. 따라서 여기 전압 님의 질문에 답변 정기 충전 신호가 감지 된 신호이다 - 기본적으로는 커패시턴스, 따라서이 측정은 종종 시스템의 CV 특성을 결정이라고합니다.

텐트 "> 캐패시턴스 측정 중, 유일한 그물 터널링은 기본 도전 층 및 도판 층 사이에 -.​​ 직접 팁 위에 충전 결코 터널 측정시 또는 끝에서 터널링 직접의 부족이 사이에 중요한 차이가 기술과 더 익숙한 스캐닝 터널링 현미경은, 비록 대부분이 시스템의 하드웨어는 주사 터널링 현미경의 그것과 본질적으로 동일하다. 그것은 SCA 영상은 정전기에 직접 문자를 구분하지 않습니다 점에 유의하는 것도 중요합니다. 정전기 수사 분포는 켈빈 프로브 현미경 또는 정전기력 현미경 스캐닝 적절도 좋은 전자 및 공간 해상도가 로컬 전자 행동이 존재 검사를위한 추가 극저온 방법;. 예를 들어, 단일 전자 트랜지스터 현미경 스캐닝 충전 분을 검출 할 수있는 또 다른 스캐닝 프로브 방법 SCA 영상은 원래 효과 ^{4,10이었다.}Tessmer, Glicofridis, Ashoori, 및 동료 ^7에 MIT에서 개발, 또, 여기에 설명 된 방법은 Ashoori 및 동료 ^(11)에 의해 개발 된 단일 전자 용량 분광학 방법의 스캐닝 프로브 버전으로 간주 할 수 있습니다. 측정의 핵심 요소는 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 정교하게 민감한 충전 감지 회로 ^5,12이며 0.01 전자 / Hz에서의 낮은 노이즈 레벨을 달성 할 수있다 ^½ 0.3 K에서 그라 이오 스탯의 기본 온도를 참고 5인치 이러한 높은 민감도는 지하 시스템에서 단일 전자 충전 관찰 할 수 있습니다. 이 방법은 평면 ^기하학의 10 ^{15m -2의} 순서에 대한 일반적인 불순물 면적 밀도, 반도체 도펀트의 개인 또는 소규모 그룹의 전자 또는 홀 역학의 연구에 적합합니다. 이런 유형의 실험에 대한 일반적인 샘플 구성의 예는 그림 1과 같다 . 도핑 층은 일반적으로 표면 아래 나노 미터의 몇 수만 위치, 그것은 기본 실시 레이어와 도펀트 층 사이에 도펀트 층과 시료 표면 사이의 정확한 거리를 아는 것이 중요합니다. 터널링과는 대조적으로, 용량은 기하 급수적으로 떨어지지 않는다 대신 본질적으로 거리에 반비례하여 감소한다. 따라서, 도펀트 깊이 원칙적 팁 전기장 토지의 일부 합리적인 비율만큼 표면 아래 수십 나노 미터,보다 깊은 수 있습니다. 여기에 설명 된 기술을 포함한 전자 행동의 전술 극저온 지역의 모든 프로브를 들어, 공간 해상도는 팁의 기하학적 크기에 관심있는 지하 기능 및 스캐닝 프로브 팁 사이의 거리에 의해 제한됩니다.

Protocol

1. PROTOCOL

1. 현미경과 전자 제품의 초기 설치
   1. 관련 제어 전자 장치와 극저온 가능 스캐닝 프로브 현미경으로 시작합니다. 연구에 사용 된 현미경은 여기에서 멀리 램프 ¹³ (그들에 바이어스 전압을 전송 할 수 있도록 같은 구리, 황동 또는 스테인리스 스틸로 전도 물질로 따라 끝에서 방향 견본 "걷기"로 관성 번역을 사용하여 설명 개략적으로 그림 2와 같이 Besocke 디자인 STM ^14의 일환으로 샘플).
   2. 바이어스 전압 및 터널링 전류 동축 전선뿐만 아니라, 민감한 충전 감지 극저온 앰프 회로를 동작하기 위해 현미경의 팁 근처에 전자 랙에서 확장 적어도 다른 두 개의 동축 전선 및 접지선을 제공합니다. 참고 5, 12, 15에서 자세히 설명 증폭기 회로의 요소를 조립하는이 전자에 보관되어 있습니다lectronics 랙, 이것은 그림 2의 음영 처리 된 상자 외부 회로의 부분입니다. 회로의이 부분은 실험을하는 동안 실온에서 유지됩니다.
2. 팁과 HEMT 회로 (그림 2의 음영 박스)의 장착 칩을 조립, HEMT 회로는 최적의 에너지 분해능을 얻기 위해 극저온 온도로 낮아집니다.
   1. 다니엘은 사각형 칩은 약 1cm에게 스크라이브를 사용하여 갈륨 비소 웨이퍼에서 x 1 cm의 치수를 쟀다, 센서 회로 끝이 칩에 장착됩니다. 입금 갈륨 비소 칩에 shadowmask을 통해 티타늄 고집 층 꼭대기에 금 약 100 nm의 여러 금 패드, 각, X 1mm 약 1mm 크기의 HEMT 및 바이어스 저항의 전선이 결합 될로 형성한다. 패드의 크기는 중요하지 않습니다.
   2. 대각선 절단기를 사용하여 IR 철사 : 기계적 80:20 백금을 절단하여 날카로운 STM 팁을 준비합니다. 팁은 화학적 에칭 O에 의해 제조 될 수있다R 다른 방법 또는 상업적으로 구입하실 수 있습니다. 주사 전자 현미경을 통해 끝의 곡률 반경을 결정, 곡률 반경은 실험에 필요한 공간 해상도의 순서에 있어야합니다.
   3. 극저온의 온도를 견딜 수있는 전도성 에폭시를 사용하여 금 각 패드 위에 에폭시 골드 와이어, 이들 와이어는 현미경 동축 선에 장착 칩에 회로의 요소를 연결합니다. 골드 와이어는 쉽게 패드 위에 그들이 필요하지 않은 경우 다음 단계 에폭시 몇 가지 여분의 골드 와이어 후 제거 할 수 있기 때문에. 에폭시 HEMT, 바이어스 저항 및 칩을 장착 갈륨 비소 위에 STM 팁. 자사의 제품 정보 시트에 표시된대로 에폭시 경화. (자세한 내용은 아래의 자료 표를 참조하십시오.)
   4. 골드 와이어 본드와 함께로드 와이어 본더를 사용하여 소스, 드레인 및 갈륨 비소 칩에서 골드 패드를 분리하는 HEMT의 게이트 요소입니다. 게이트와 소스 (을)를 연결하는 채권 임시 전선문을 보장하기 위해 R 드레인 패드는 소스 - 드레인 채널에 대해 청구가되지 않습니다. HEMT를 조작하면서 추가 안전을 위해 접지 스트랩을 사용, 그것은 HEMT를 파괴 할 수 길잃은 정전기를 도입하지 않도록 예방 조치를하는 것이 중요합니다.
   5. 게이트 및 전기 HEMT 단락 방지하기 위해 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널에 연결된 전선 준비된 장착 칩을 저장합니다. 이전 단계에서 언급 한 임시 전선이 제거 된 경우, 모두 살짝 전선을 꼬아. 그것은 다른 모든 전선을 연결하는 간단합니다.
3. 현미경에 장착 칩을 연결합니다.
   1. 이 HEMT의 게이트와 소스 - 드레인 채널 간의 파괴적인 단락을 방지하는 것입니다, 게이트와 소스 - 드레인 채널 부동 결코 있는지 확인합니다. 칩에서 전선을 납땜 할 수있는 현미경 동축 전선을 접지하십시오.
   2. 부착 t 꼭대기에 장착 칩그림 2와 같이 그는 piezotube 스캔.
   3. 솔더 실장 칩에서 인듐 솔더를 사용하여 관련 동축 전선 연장 골드 와이어.
4. 전자 랙에서 동축 선에 연결된 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다. 기본적으로, 곡선 추적기 소스 - 드레인 전류 - 전압 특성을 보여줍니다. 가장 일반적인 고장 모드는 HEMT 게이트와 게이트 전압에 민감하다 소스 - 드레인 특성에서 결과의 소스 - 드레인 채널 사이 짧습니다.
5. 샘플을 설치합니다. 샘플을 성공적으로 끝을 접근 할 수 있도록 STM 모드로 구성된 현미경 범위로 걸어보세요.
   1. 전류 측정을 터널링 STM에 사용되는 프리 앰프에 와이어 T를 연결하고 (모든 연결이 전자 랙에서 만들어집니다.) 와이어 B.에 DC 바이어스 전압 V _DC를 연결
   2. 샘플 및 팁 터널링 범위에있는 때까지 걷는다. 때 Ra의NGE, 스캔 piezotube는 스캔 piezotube을 접지하면 끝이 그것의 범위 확장에서 수축하게됩니다, 즉, 평형 위치에서 약간 확장 유지해야한다. 이 예제를 성공적으로 끝을 접근 할 수 있는지 확인합니다. 다음 작업 중 끝을 보호하기 위해이 작업을 수행 한 후 범위 밖으로 걸어.
   3. 결국 저온 작동 실험실 벤치 탑에서 듀어에 현미경을 전송합니다. 이 시점에서, 테스트 단계가 완료되고 실험 단계를 시작할 수 있습니다.
6. 몇 microtorr의 진공 현미경을 펌프. 그라 이오 스탯의 사용 설명서에 설명 된 절차에 따라, 최적의 에너지 분해능은 아래 4.2 K 이상으로 현미경을 냉각.
   1. 해당 기본 온도 현미경을 식힌 후, 현미경 충분한 시간이 열 평형에 도달 할 수 있도록, 같은 지역의 반복, 긴 스캔이 수행됩니다 때문에, 열 드리프트를 최소화하는 것이 중요합니다. (드리프트는샘플 관련하여 팁의 평형 위치의 변화).
   2. 최대한 건물 기계적 커플 링 진공 펌프 및 현미경 듀어에 연결된 다른 장치에 의한 진동에서 현미경을 분리 듀어를 일시 중단합니다. 이 참조 15에서와 같이, 또는 공기 스프링 또는 유사한 방법을 사용하여, 번지 서스펜션 시스템을 사용하여 수행 할 수 있습니다.
7. 현미경을 냉각 후 데이터 수집을 시도하기 전에, 다시 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다.
8. 터널링 (STM) 모드에서 샘플을 검사합니다.
   1. 범위로 걷는다. 파편과 상당한 높이 또는 전도도의 변화에​​서 무료 샘플 표면의 영역을 찾아 끝이 안정되어 있는지 확인합니다.
   2. 샘플의 기울기를 보정, 커패시턴스 스캔이 피드백 루프가 비활성화로 수행되기 때문에 특히 중요하다, 따라서 끝이 표면에 충돌 할 수 있다면 scannING 평면은 시료의 표면에 평행하지 않습니다. 원칙적으로, 하나의 팁을 스캔하는 동안 일정한 용량을 유지하기 위해 피드백 용량 신호를 사용할 수 있지만, 실제로는, 신호는 피드백이 사용되는 경우 충돌을 방지하기 위해 충분히 강력하지 않습니다.
   3. 그것이 끝이 오프셋 바꾸 보상 할 수 있도록 모든 온도 드리프트를 관찰합니다. 터널링 모드 범위에서 터치 지점으로이 프로토콜에 언급하면​​서 끝 연장의 양을 확인합니다.
9. 시료의 교란 영역, STM 모드에서 스캔되지 않은 하나를 이동합니다.
   1. STM 컨트롤러에 피드백 루프를 사용하지 않도록 설정합니다. 피드백 루프가 비활성화 된 경우, 팁의 수동 동작이 실수로 충돌이 발생할 수있는 기억합니다. 끝을 이동하면서 신중 따라서주의해야한다.
   2. 팁에게 터치 점에서 나노 미터의 몇 수만을 철회.
   3. 샘플 WHI의 가까운 영역에 팁의 측면 위치 오프셋채널은 최근 섭동 (예 : 반도체 불순물 사이트의 위탁 등) STM 스캐닝을위한 반도체 샘플을 통해 터널링을 사용하는 데 필요한 바이어스 전압이 유도 한 수를 피하기 위해, 검색되지 않았습니다.
   4. 평형 확장의 팁 변위 터치 점 크기에 가까운 때까지 조심스럽게 표면을 향해 팁을 확장합니다.
10. 용량 모드로 배선 구성을 전환합니다.
    1. HEMT를 보호하기 위해 모든 동축 선을 접지하십시오.
    2. 관련 전압 소스와 저항과의 동축 선을 연결하는 잠금 앰프와 함수 발생기, 그림 2에서와 같이.
    3. 모든 전압 소스를 켭니다. HEMT 충격을 방지하려면, 0에서 전압 소스 출력을 시작 V.
    4. 분쇄하지 동축 전선, 게이트 및 HEMT를 보호하기 위해 가능한 한 오랫동안 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널을 유지하기 위해 기억.
    5. V를 설정전압 분배기 저항에 전 압 소스 (선 D).
    6. V _곡을 조정하는 동안 멀티 미터 와이어 L의 전압을 모니터링하여 가장 민감한 영역에 HEMT를 조정할 수 있습니다. 그 후 잠금 앰프에 와이어 L을 다시 연결합니다.
    7. 에서의 위상 신호까지 V _곡을 증가 잠금 앰프 증가하고 고원에 시작, 팁에 적용되는 전압 V _곡의 기록이 값. 이 와이어 L. 통해 누출 대신 HEMT에 가서 측정에서 모든 책임을 수
    8. 내부의 위상을 최적화 잠금에서의 autophase 능력과 기록 위상 값을 사용하여 앰프.
    9. 유의 한 열 효과 (이 자주 최대 두 시간 소요)가 없는지 확인하기 위해 안정 HEMT 기다립니다.
11. 단지 관심의 신호가 잠금 앰프로 이동하도록 표준 커패시터에 신호를 조정하여 HEMT의 균형을. 에 신호 조정표준 커패시터는 하나 V _균형의 진폭 또는 V _균형과 V _여기의 상대적인 위상 수행 할 수 있습니다. HEMT는 균형을 고려하는 경우에 위상 (in-phase) 신호 잠금 앰프 절차의이 단계에서 최소화됩니다.
12. 스캔 전하 축적 이미징을 수행합니다.
    1. 샘플에 DC 바이어스 전압 V _DC를 설정합니다.
    2. 참고로 터치 포인트를 사용하여 표면의 1 나노 미터 내에서 팁을 확장합니다.
    3. 의 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프, 이것은 관심의 신호입니다.
    4. 샘플을 검사합니다. 좋은 해상도를 얻으려면 스캔은 각 픽셀에 대한 충분한 신호 평균화를 허용하고 이미지의 인접 픽셀로 신호의 번짐을 방지하기 위해 스캔 당 몇 시간의 비율로 취득해야 할 수 있습니다. 여러 같은 지역에 스캔, 평균이이 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 함께 스캔을 수행합니다.
13. 이전 단계에서 얻은 전하 축적 이미지에 대한 관심이 지하 기능 위에 고정 팁 캐패시턴스 (CV) 분광법을 수행합니다.
    1. 램프 V _DC는과 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프.
    2. 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 같은 위치에 여러 용량 대 전압 (CV) 곡선과 함께 평균이 곡선을보십시오. 일반적으로, 몇 가지 곡선을 함께 평균입니다. 평균 곡선 때문에 스캔하는 동안 표류의 가능성의 신호 대 잡음비를 개선하면서, 연속 스캔 한 줌을 함께 평균되어야한다.
14. 터널링 (STM) 모드로 돌아갑니다.
    1. 평형 확장 및 재구성 STM의 전자에 대한 팁을 철회. 피드백 루프를 다시 활성화하고 팁의 확장 (터​​치 점) 범위의 현재를 기록한다.
    2. 상단에 기능을 찾기 위해 터널링 모드에서 영역을 스캔용량 이미징 및 용량 분광법에 아티팩트를 생성 한 수 ography.
15. 참조 9 참조 1의 지원 정보에 따라 데이터를 분석하고 해석한다.

Results

성공적인 측정의 주요 지표는 매우 다른 스캐닝 프로브 방법에서와 같이, 재현성이다. 반복 측정이 이유를 위해 매우 중요합니다. 포인트 용량 분광법의 경우, 동일한 위치에서 연속적으로 여러 측정을 수행하면 신호 대 잡음 비율을 증가 스퓨리어스 신호를 식별하는 데 도움이됩니다.

그 기능이 전하 축적 이미지에서 발견되었습니다 및 용량 분광법이 수행되면, CV 데이터의 해석은 전압 레버 암을 결정함으로써 시작합니다. 전압 레버 암이 적용된 V _DC에 도펀트의 위치에 실제 가능성과 관련된 배율입니다. 그것은 본질적으로 도핑 층의 끝이 아닌 거리를 직접 팁 아래 위치에서 도펀트의 오프셋 측면에 대한 계정. 전압 레버 팔 CV 분광 데이터를 ^{1.8로에서는} Lorentzian 함수를 피팅에 의해 발견된다 ^</>을 먹다. 절대 전압 눈금이 필요한 경우, 접촉 전위는 (샘플로부터 전기장 라인 끝에서 종료하지하는 전압) 켈빈 ...

Discussion

이 실험 방법에 대한 이론적 근거에 대한 자세한 설명은 참고 문헌 8, 9에 주어진 및 참조 2 지하 도펀트의 시나리오에 대해 설명합니다, 여기에 제시된 개요 그러므로 간단하고 개념이 될 것입니다. 팁 하나 커패시터의 플레이트, 샘플은 다른 판을 포함하는 기본 실시 레이어로 처리됩니다. DC 전압이 적용되는 경우 등이 전자는 끝을 향해 행진하고 ​​추가 비용을 수용 할 수있는 기본 전도 층과 끝 사이에 위치한 도펀트 원자가가 있다면, 전자는 도펀트를 입력하고 따라서 더 가까이 얻을 팁. 정전기에서이 전자의 운동 팁 반대 부호의 이미지 전하를 유도해야합니다. DC 전압으로 표현되는 정현파 구동 전압 (V _여기)는 전자가 기판 층과 도판 트 사이에서 공진하게됩니다. 결과적으로, 이미지는 W를 충전병도 끌어 들여, HEMT를 이용한 민감한 전하 검출 회로에 의해 검출하고 추가 잠금 앰프로 증폭 AC 신호를 제공. 이 충전 신호는 용량으로 변환 할 수 있습니다.

...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment< / strong>
Besocke-design STM	사용자 정의		참조 14 및 15
STM	RHK 기술	SPM 1000 Revision 7
잠금 증폭기	Stanford Research Systems	SR830
곡선 추적기	Tektronix	Type 576
오실로스코프	Tektronix	TDS360
멀티미터	Tektronix	DMM912
와이어 본더	WEST· K	~1200D 온도 컨트롤러가 있는	7476D
납땜 인두	MPJA	301-A
저온 유지 장치	옥스포드 기기	Heliox
Material
Pt/Ir wire, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs 웨이퍼	axt	SI	마운팅 칩용
99.99% Au 와이어, 2mil 직경	SPM		마운팅 칩용
99.99% Au 와이어, 1mil 직경	K& S		: 와이어 본딩,
인듐 샷	Alfa Aesar	11026
실버 에폭시	Epo-Tek	EJ2189-LV	모든 저온 호환 전도성 에폭시 허용
HEMT	Fujitsu	저소음 HEMT