스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광학

다음 실험의 전반적인 목표는 비전도성 표면 아래에 위치한 나노스케일 전도 시스템에서 단일 전자들의 충전 및 방전 현상을 관찰하고 공간적으로 분해하는 것입니다. 이를 위해 샘플을 저온 주사 프로브 현미경에 장착하여 저온 및 저잡음 상태를 구현함으로써 단일 전자의 거동을 관찰할 수 있게 합니다. 두 번째 단계로, 현미경을 주사 터널링 현미경 모드로 사용하여 팁을 샘플의 상단 표면으로부터 약 1nm 거리까지 접근시키며, 이를 통해 정전 용량 측정을 수행하기에 적절한 위치에 팁을 배치합니다.

다음으로, 표면 하 시스템의 전자 이동에 의해 팁에 유도되는 이미지 전하를 검출하기 위해 매우 민감한 전하 검출 회로를 이용한 정전 용량 모드의 현미경을 사용합니다. 이를 통해 표면 하 양자 시스템의 전자 구조를 결정할 수 있습니다. 그 결과, 개별 전자들이 나노 스케일의 표면 하 시스템으로 터널링하여 들어가고 나오는 것을 보여주는 결과가 얻어집니다.

피크와 전압 대비 커패시턴스 곡선은 전자의 첨가 에너지를 나타냅니다. 양자 시스템에서 반도체 소자는 점점 더 작아지고 있습니다. 가능한 가장 작은 소자는 단일 원자 또는 불순물 원자입니다.

많은 제안된 장치들은 소수의 상호작용하는 도트들을 포함합니다. 본 연구의 방법은 이러한 미세 시스템의 기본적인 전자 구조를 분석할 수 있습니다. 이 방법은 표면 하부, 도슨트 및 반도체 샘플 중심부의 전자 구조에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

본 방법은 정전용량 측정법으로, 표면 유전 특성 및 일함수 매핑과 같은 다양한 저온 국소 측정으로 확장 가능합니다. 이러한 실험은 극저온 구현이 가능한 주사 프로브 현미경과 관련 전자 장치를 사용하여 수행됩니다. 바이어스, 전압 및 터널링 전류를 위한 동축 케이블 외에도, 최소 두 개의 추가 동축 케이블과 접지선이 전자 랙에서 현미경의 팁 영역까지 연결되어 있는지 확인하십시오.

이들은 극저온 증폭기의 신호를 전달하는 데 사용됩니다. 다음으로, 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 기반의 극저온 증폭기 회로 조립을 시작하십시오. 스크라이버를 사용하여 갈륨 비소 웨이퍼에서 약 1cm x 1cm 크기의 칩을 절단하십시오.

그 다음, 증착 공정을 사용하여 표면에 약 1 mm × 1 mm 크기의 금 패드 여러 개를 형성합니다. 이제 귀금속 와이어로 날카로운 팁을 준비합니다. 저온 호환 에폭시를 사용하여 대각선 커터로 80 20 백금 이리듐 와이어를 자릅니다.

갈륨 비소 칩의 각 금 패드에 금선을 연결합니다. 이 칩에는 추가 와이어가 부착되어 있습니다. 현재 필요하지 않은 경우 쉽게 제거할 수 있으나, 부유 전하가 유입되지 않도록 주의하십시오.

헴프 에폭시, 바이어스 저항, 팁 및 헴프를 갈륨 비소 용융 칩 위에 배치합니다. 에폭시가 적절히 경화되면, 금선이 장착된 와이어 본더를 사용하여 헴프의 소스, 드레인 및 게이트 요소를 칩 본드의 각각 다른 금 패드에 본딩합니다. 게이트가 소스-드레인 채널에 대해 대전되지 않도록 게이트와 소스 또는 드레인 패드를 연결하는 임시 와이어를 설치합니다.

마운팅 칩을 현미경에 부착하려면, 먼저 칩의 와이어가 납땜될 현미경의 동축 와이어를 접지하십시오. 그다음 마운팅 칩을 스캐닝 피조 튜브 상단에 고정하십시오. 인듐 솔더를 사용하여 칩의 금 와이어를 적절한 동축 와이어에 연결하십시오.

테스트 후, 샘플을 고정하는 헴프 마운트의 무결성을 확인합니다. 이 샘플은 지지 피에조 튜브에 인가된 전압에 반응하여 안팎으로 이동할 수 있도록 바카(baka) 스타일 램프에 장착됩니다. 현미경 및 STM 모드에서 샘플을 범위 내로 이동시켜 샘플과 팁이 성공적으로 접근할 수 있는지 확인하십시오.

테스트를 성공적으로 마친 후, 현미경 조작 중에 팁을 보호하기 위해 샘플을 측정 범위 밖으로 멀리 이동시키십시오. 저온 작동을 준비하려면 현미경을 실험실 벤치탑에서 크라이오스탯(cryostat)으로 옮기십시오. 크라이오스탯은 현미경의 목표 기저 온도인 4.2 kelvin 또는 그 이하를 달성할 수 있어야 합니다.

현미경을 수 마이크론의 진공 상태로 펌핑한 후, 현미경을 크라이오스탯(cryostat) 내부로 1~2인치 정도 내리고 온도가 평형을 이룰 때까지 기다립니다. 이 과정은 최대 수십 분이 소요될 수 있습니다. 현미경이 제자리에 위치할 때까지 한 번에 1~2인치씩 내리는 과정을 반복하십시오.

전체 침전 과정은 거의 하루가 소요될 수 있습니다. 그 후 현미경을 열적으로 평형 상태가 되도록 둡니다. 마지막으로, 진동으로부터 크라이오스탯과 현미경 어셈블리를 격리하십시오.

본 실험에서는 크라이오스탯(cryostat)에 부착된 번지 코드 현수 시스템이 사용됩니다. 현수 시스템을 사용하여 어셈블리를 지면에서 몇 인치 들어 올리고 그 높이를 유지하십시오. 크라이오스탯이 가라앉아 다시 현수할 필요가 있는지 확인하기 위해 높이를 모니터링하십시오.

STM 스캔을 수행한 후, 팁을 후퇴시킨 상태에서 STM 컨트롤러의 피드백 루프를 비활성화하여 정전용량 모드 측정을 시작하십시오. STM 위치에서 수십 나노미터 떨어진 곳에서 팁의 수평 위치를 최근에 스캔하지 않은 샘플 영역으로 오프셋하십시오. 배선 구성을 정전용량 모드로 전환하려면, 먼저 모든 동축 케이블을 접지하여 헴프(hemps)를 보호하십시오.

T 커넥터로 와이어를 종단하면 다른 연결을 수행하는 동안에도 와이어의 접지 상태를 유지할 수 있습니다. 다음으로, 동축 와이어를 관련 전압원과 저항기, 락인 앰플리파이어(lock-in amplifier) 및 함수 발생기에 연결하십시오. 모든 전압원을 0으로 설정한 후 전원을 켭니다.

게이트 와이어를 접지 해제하는 것에 주의하며 동축 와이어들의 접지를 해제하십시오. 마지막으로 헴프(hemp)를 보호하기 위해 전압원의 전압을 원하는 수준까지 높이십시오. 헴프를 조정하고 최적의 성능을 위해 증폭기를 고정하십시오.

그다음 헴프(hemp)가 안정화될 때까지 기다립니다. 이 시점에서 스캐닝, 전하 축적 이미징 및 정전 용량-전압 분광법을 수행할 수 있습니다. 이것은 전하 축적 이미지의 예시입니다.

샘플은 4.2 K에서 표면 아래 15 nm 깊이의 델타 도핑 층에 1.7 × 10¹⁵ m⁻²의 면밀도로 붕소 억셉터가 도핑된 실리콘입니다. 스케일에서 알 수 있듯이, 더 밝은 색상은 전하량이 증가했음을 나타냅니다. 밝은 점들은 개별 subsurface 붕소 원자의 위치를 표시하는 것으로 해석됩니다.

파란색 점은 point C versus V 분광법이 수행된 특정 밝은 지점을 나타냅니다. C versus V 데이터에서 가장 큰 피크는 팁 바로 아래의 도트(dot)로 전하가 유입되는 것으로 해석됩니다. 주변의 피크들은 인접한 도트들로 인해 발생합니다. 이들의 중심은 이동되어 있으며 진폭은 메인 피크에 비해 감소하였습니다.

DO 핀의 거리 증가로 인해, 개발된 모델과 데이터의 일치 정도에서 알 수 있듯이 모델에서 고려된 효과들에 의해 전압 축을 따라 피크가 넓어집니다. 여기에 제시된 C 대 V 분광법 데이터는 표면 아래 60 nm 위치에 면밀도 1.25 × 10¹⁶ m⁻²의 실리콘 도너 층이 형성된 갈륨 비소 델타 도핑 시료에 대해 300 mK에서 측정한 결과입니다.

또한 일련의 충전 피크가 나타나며, 이들 대부분은 많은 전자가 도트(dot)로 들어가고 나오는 그룹과 일치합니다. 단일 전자 피크는 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다. 오른쪽 데이터는 왼쪽 그래프에서 빨간색 화살표로 표시된 피크를 반복 측정하여 얻은 결과입니다. 데이터를 평균 내어 피팅을 수행하였으며, 그 결과가 여기 녹색으로 표시되어 있습니다.

이 피팅 곡선은 실험 조건 하에서 단일 전자 피크에 대해 예상되는 형태와 일치합니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 스캐닝 단일 전자 정전용량 측정 수행의 실무적인 측면을 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 절차를 시도할 때, 게이트와 소스-드레인 채널 사이에 정전기가 축적되는 것을 방지하기 위한 예방 조치를 취함으로써 민감한 소자가 파괴되지 않도록 주의하는 것이 중요합니다.