Scanning-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

Summary

Scanning-probe single-electron capaciteit spectroscopie vergemakkelijkt de studie van single-elektron beweging in gelokaliseerde ondergrond regio. Een gevoelige charge-detectieschakeling wordt opgenomen in een cryogene scanning probe microscoop kleine systemen doteringsatomen onderzoeken onder de oppervlakte van halfgeleider monsters.

Abstract

De integratie van lage-temperatuur-aftastsondetechnieken en single-elektron spectroscopie capaciteit vormt een krachtig instrument om de elektronische quantum structuur van kleine systemen te bestuderen - inclusief individuele atomaire doteerstoffen in halfgeleiders. Hier presenteren we een condensator-gebaseerde methode, die bekend staat als Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming, die in staat is het oplossen van een-elektron opladen terwijl het bereiken van voldoende ruimtelijke resolutie foto om individuele atomaire doteermiddelen. Het gebruik van een capacitieve techniek maakt waarneming van ondergrondse kenmerken, zoals doteerstoffen begraven veel nanometer onder het oppervlak van een halfgeleidermateriaal ^1,2,3. In principe kan deze techniek worden toegepast op elk systeem elektron beweging onder een isolerend oppervlak lossen.

Zoals in andere elektrisch-veld-gevoelige ingescande probetechnieken ^4, de laterale ruimtelijke resolutie van de meting ten dele afhankelijk van de krommingsstraal vane van de sonde. Gebruik tips met een kleine kromtestraal kan inschakelen ruimtelijke resolutie van enkele tientallen nanometers. Deze fijne ruimtelijke resolutie maakt het mogelijk onderzoeken van kleine aantallen (tot een) van de ondergrond doteermiddelen ^1,2. De lading resolutie sterk afhankelijk van de gevoeligheid van de lading detectieschakeling, met hoge elektronenmobiliteit-transistoren (HEMT) in dergelijke schakelingen bij cryogene temperaturen kan een gevoeligheid van ongeveer 0,01 elektronen / Hz ^½ bij 0,3 K ^5.

Introduction

Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming is een lage-temperatuur-methode kunnen oplossen single-electron opladen evenementen. Toegepast op de studie van doteringsmiddelatomen in halfgeleiders, kan de werkwijze detecteren individuele elektronen invoeren donor of acceptor atomen, waardoor de karakterisering van quantumstructuur van deze kleine systemen. Op haar hart, SCA beeldvorming is een lokale capacitieve meting ⁶ goed geschikt voor cryogene bewerking. Omdat de capaciteit is gebaseerd op elektrisch veld, het is een lange-afstands effect dat kan oplossen opladen onder isolerende oppervlakken ^6. Cryogene bediening maakt onderzoek van single-elektron beweging en kwantumniveau spatiëring dat zou worden onoplosbare bij kamertemperatuur ^1,2. De techniek kan worden toegepast op elk systeem waarin elektronen beweging onder een isolerend oppervlak belangrijk is, evenals het laden dynamiek in tweedimensionale electronsystemen op begraven interfaces ^7, kortheidshalve de focus zal hier liggen op studies van halfgeleider doteermiddelen.

Op het meest schematisch niveau, deze techniek behandelt de gescande tip als een plaat van een parallelle plaat condensator, maar realistische analyse vereist een meer gedetailleerde beschrijving om rekening te houden met de kromming van de punt ^8,9. De andere plaat in dit model is een nanoschaal gebied van de onderliggende geleidende laag, zoals getoond in figuur 1. In wezen, zoals een lading voert een doteerstof in reactie op een periodieke excitatie spanning, het dichter bij de punt, deze beweging veroorzaakt meer ladingsbeeld op de punt, die is gedetecteerd door de sensor circuit ^5. Evenzo, als de lading verlaat de dotering, wordt het beeld lading op het puntje afgenomen. Vandaar het periodiek opladen in responsie op de excitatie spanning het gedetecteerde signaal - in wezen het capacitieve, dus deze meting wordt vaak aangeduid als bepalend voor de CV kenmerken van het systeem.

tent "> Tijdens de capacitieve meting, de enige netto-tunneling is tussen de onderliggende geleidende laag en de dotering laag -. lading nooit tunnels direct op het puntje Het ontbreken van directe tunneling van of naar de punt tijdens de meting is een belangrijk verschil tussen deze techniek en de meer bekende scanning tunneling microscopie, hoewel veel van de hardware voor dit systeem in wezen gelijk aan die van een scanning tunneling microscoop. Het is ook belangrijk op te merken dat SCA beeldvorming niet direct gevoelig zijn voor statische elektriciteit. Voor onderzoeken van statische lading distributies, scanning Kelvin probe microscopie of elektrostatische kracht microscopie is passend Extra cryogene methoden voor de behandeling van lokale elektronische gedrag bestaan ​​die ook goede elektronische en ruimtelijke resolutie;. bijvoorbeeld scanning single-electron transistor microscopie is een andere scanning probe methode voor het opsporen minuten opladen effecten ^4,10. SCA beeldvorming was oorspronkelijkontwikkeld aan het MIT door Tessmer, Glicofridis, Ashoori, en collega's ⁷ en bovendien, kan de hier beschreven methode worden beschouwd als een scanning probe versie van de Single-Electron Capaciteit Spectroscopy methode is ontwikkeld door Ashoori en collega's ^11. Een belangrijk element van de meting is een uiterst gevoelig lading-detectie circuit ^5,12 met behulp van high electron transistoren (HEMT), maar het kan een geluidsniveau zo laag als 0,01 elektronen / Hz bereiken ^½ op 0,3 K, de basistemperatuur van de cryostaat in referentie 5. Een dergelijk hoge gevoeligheid maakt observatie van single-electron opladen in ondergrondse systemen. Deze methode is geschikt voor de studie van elektron of gat dynamica van individuele of kleine groepen toeslagstoffen in halfgeleiders, met typische doteringsmiddel oppervlaktedichtheid in de orde van 10 ¹⁵ m ^-2 in een vlak geometrie ^2. Een voorbeeld van een typisch voorbeeld configuratie voor dergelijke experimenten wordt getoond in Figuur 1 . De dotering laag wordt meestal geplaatst enkele tientallen nanometers onder de oppervlakte, is het belangrijk om de precieze afstand tussen de onderliggende geleidende laag en het doteringsmiddel laag en tussen de doteerstof laag en het monsteroppervlak kennen. In tegenstelling tot tunneling, doet capaciteit niet vallen exponentieel, maar in plaats daarvan neemt in wezen omgekeerd evenredig met de afstand. Vandaar dat de doteerstof diepte in beginsel zelfs dieper dan tientallen nanometers onder het oppervlak, zolang aantal redelijk deel elektrisch veld landt op de tip. Voor alle bovengenoemde cryogene lokale probes gedrag van de elektronen, zoals de hier beschreven techniek is ruimtelijke resolutie beperkt door de geometrische afmeting van de tip en de afstand tussen de ondergrond kenmerk van belang en de scanning probe uiteinde.

Protocol

1. PROTOCOL

1. Initiële setup van de microscoop en elektronica
   1. Begin met een cryogene-staat scanning probe microscoop met bijbehorende besturingselektronica. De microscopen gebruikt voor het onderzoek beschreven hier gebruiken inertie vertaling "om te lopen" het monster naar en weg van de punt langs opritten ¹³ (gemaakt van een geleidend materiaal zoals koper, messing of roestvrij staal in staat te stellen bias spanning doorgeven aan de monster) als onderdeel van een Besocke ontwerp STM ^14, schematisch weergegeven in figuur 2.
   2. Naast de voorspanning en tunnelstroom coaxiale draad ten minste twee coaxiale kabels en een aarddraad die zich vanaf de elektronica rek dichtbij het uiteinde deel van de microscoop om de cryogene versterkerschakeling hanteert voor gevoelige ladingdetectiecircuit. Monteer de elementen van de versterkerschakeling in detail beschreven in referenties 5, 12 en 15, die zijn ondergebracht op de electronics rack, dit is het gedeelte van de schakeling buiten de gearceerde box in figuur 2. Dit deel van het circuit bij kamertemperatuur gedurende het experiment blijft.
2. Monteer de montage chip voor de tip en HEMT circuit (gearceerde box in figuur 2), de HEMT circuit wordt verlaagd tot cryogene temperatuur optimale energieresolutie verkrijgen.
   1. Cleave een vierkante chip sized ongeveer 1 cm x 1 cm van een GaAs-wafer met behulp van een schrijver, de sensor circuit en de tip zal op deze chip gemonteerd worden. Borg circa 100 nm van goud boven op een titanium steken laag door een schaduwmasker op de GaAs chip om meerdere goud pads, elk formaat ongeveer 1 mm x 1 mm, waaraan draden van de HEMT en vertekenende weerstand zal worden gebonden vormen. De afmetingen van de elektroden zijn niet kritisch.
   2. Bereid een scherpe STM tip door het mechanisch snijden van een 80:20 Pt: Ir draad met zijkniptang. De tip kan ook worden bereid door chemisch etsen or een andere methode of commercieel kunnen worden gekocht. Bepaal de kromtestraal van de punt via scanning elektronenmicroscopie de kromtestraal moet in de orde van de ruimtelijke resolutie die nodig is voor het experiment.
   3. Epoxy een gouden draad op elk van de goldpads met geleidende epoxy bestand tegen cryogene temperaturen, deze draden worden de elementen van de schakeling aangesloten op de chip montage op de coaxiale kabels op de microscoop. Aangezien de gouden draden gemakkelijk kan worden verwijderd na de volgende stap als ze niet nodig zijn, epoxy enkele redundante gouddraadjes op de pads. Epoxy de HEMT, de vertekenende weerstand, en de STM-tip op het GaAs montage chip. Cure de epoxy zoals vermeld op het produkt informatie blad. (Zie de tabel van materialen hieronder voor details.)
   4. Gebruik van een draad bonder geladen met gouddraad, bond de bron, drain en gate elementen van de HEMT om goud pads scheiden op de GaAs-chip. Bond tijdelijke draden aansluiten van de gate en source or drain pads aan de gate waarborgen niet worden geladen ten opzichte van de source-drain channel. Gebruik een aardingsbandje voor extra veiligheid tijdens het manipuleren van de HEMT, is het belangrijk om voorzorgsmaatregelen te nemen om te voorkomen dat er verdwaalde statische ladingen die de HEMT zou kunnen vernietigen.
   5. Bewaar de voorbereide montage chip de draden die aan de gate en de source-drain kanaal van de HEMT elektrisch met elkaar om kortsluiting te voorkomen de HEMT. Indien de tijdelijke draden in de vorige stap vermeld zijn verwijderd, voorzichtig draai de draden samen. Het eenvoudigst is alle draden elkaar verbinden.
3. Bevestig de montage chip aan de microscoop.
   1. Zorg ervoor dat de gate en source-drain kanalen zijn nooit drijvende, dit is om destructieve korte broek tussen de gate en de source-drain kanalen van de HEMT voorkomen. Aard de coaxiale kabels op de microscoop waarop de draden van de chip wordt gesoldeerd.
   2. Bevestig de montage chip boven op tHij piezotube scannen, zoals getoond in figuur 2.
   3. Soldeer de gouden draden uitstrekt van de montage-chip aan de pertinente coaxiale kabels met indiumsoldeer.
4. Controleer de integriteit van het HEMT de curve tracer aangesloten op de coaxiale draden aan de elektronica rack. Wezen, de curve tracer toont de source-drain stroom-spanning karakteristieken. De meest voorkomende fout komt een kortsluiting tussen de HEMT gate en source-drain channel, waardoor source-drain kenmerken die ongevoelig gate spanning zijn.
5. Monteer het monster. Lopen in bereik met de microscoop geconfigureerd in STM-modus om ervoor te zorgen dat het monster met succes de tip zal benaderen.
   1. Verbind draad T om de voorversterker gebruikt voor STM tunneling stroommetingen en bevestig DC bias spanning V _DC op de draad van B. (Alle aansluitingen worden gemaakt op de elektronica rek.)
   2. Wandeling in totdat het monster en tip zijn in tunneling bereik. Toen in raNSE, het scannen piezotube moet iets verlengd van zijn evenwichtspositie, zodat de aarding van de scanning piezotube zal de tip terug te trekken uit de in-range toestel blijft. Dit bevestigt dat het monster met succes de tip kan benaderen. Loop buiten bereik na dit te doen, om de punt te beschermen tijdens de volgende handelingen.
   3. Breng de microscoop van het laboratorium benchtop aan de dewar voor een eventuele lage-temperatuur-operatie. Op dit punt, de test beëindigd is en de experimentele fase kan beginnen.
6. Pomp uit de microscoop om een ​​vacuüm van enkele microtorr. Koel de microscoop tot 4,2 K of hieronder voor een optimale resolutie van energie, volgens de in de handleiding van de cryostaat procedure.
   1. Na afkoelen van de microscoop zijn referentietemperatuur, zodat de microscoop voldoende tijd om thermisch evenwicht te bereiken, aangezien herhaalde, langdurige scans van hetzelfde gebied worden uitgevoerd, is het belangrijk om thermische drift minimaliseren. (Drift iseen verschuiving in de evenwichtspositie van de tip ten opzichte van het monster.)
   2. Suspendeer de dewar de microscoop zoveel mogelijk van trillingen ten gevolge van mechanische koppeling aan het gebouw en vacuümpompen en andere apparaten die op de microscoop en Dewar isoleren. Dit kan worden uitgevoerd met een bungeekoord ophangsysteem, zoals in referentievoorbeeld 15, of met luchtveren of een soortgelijke methode.
7. Na afkoeling van de microscoop en voordat u het verzamelen van gegevens, controleert de integriteit van de HEMT opnieuw met de curve tracer.
8. Scan de monster in tunneling modus (STM).
   1. Lopen in bereik. Zoek een regio van het monster oppervlak dat vrij is van puin en van aanzienlijke hoogte of geleidbaarheid variaties, en zorgen voor de tip is stabiel.
   2. Corrigeren voor eventuele scheefstand van het monster, dit is vooral belangrijk omdat de capaciteit scans zullen worden uitgevoerd met de feedback loop uitgeschakeld, dus de tip kon vastlopen in het oppervlak als de scanning vliegtuig is niet parallel aan het oppervlak van het monster. In principe zou men de capaciteitsignaal gebruiken feedback om een ​​constante capaciteit te behouden tijdens het scannen van de tip, maar in de praktijk, het signaal niet voldoende robuust om een ​​botsing te voorkomen als de terugkoppeling wordt toegepast.
   3. Neem elke thermische drift, zodat het kan worden gecompenseerd door het herpositioneren van de tip offset. Let op de hoeveelheid uitbreiding van de punt, terwijl het bereik in de tunnelbouw-modus, om in dit protocol als de aanraking punt.
9. Ga naar een ongestoorde oppervlakte van het monster, een die niet werd gescand in STM-modus.
   1. Schakel de terugkoppeling in de STM-controller. Bedenk dat wanneer de feedback loop is uitgeschakeld, manuele bewegingen van de tip kan onbedoeld leiden tot een crash. Grote zorgvuldigheid moeten worden genomen tijdens het verplaatsen van de tip.
   2. Trek de tip van een paar tientallen nanometers van het touch point.
   3. Compensatie van de laterale positie van de tip naar een nabijgelegen gebied van het monster which niet onlangs is gescand, om eventuele verstoringen (bijvoorbeeld het opladen van halfgeleider-dotering sites) de voorspanning aan de hand waarvan tunnelen door het halfgeleidende monster voor STM scanning kan hebben veroorzaakt te vermijden.
   4. De punt in de richting van het oppervlak voorzichtig te verlengen tot het topje verplaatsing van evenwicht extensie is dicht in magnitude aanvoelt punt.
10. Overschakelen bedradingsconfiguratie aan capaciteit modus.
    1. Aard alle coax kabels naar de HEMT beschermen.
    2. Sluit de coaxiale bedrading van de relevante spanningsbronnen en weerstanden en de lock-in versterker en de functiegenerator, zoals weergegeven in figuur 2.
    3. Schakel alle spanningsbronnen. Om te voorkomen dat schokkende de HEMT, beginnen spanningsbron uitgangen op 0 V.
    4. Ongemalen de coaxiale kabels, herinneren aan de gate en de source-drain kanaal van de HEMT om de HEMT bescherming aan elkaar zo lang mogelijk te houden.
    5. Stel de voltage bron op de spanningsdeler weerstand (draad D).
    6. Stem de HEMT op haar meest gevoelige regio door het bewaken van de spanning over draad L met een multimeter tijdens het instellen van V _tune. Daarna weer vast draad L aan de lock-in versterker.
    7. Verhoging V _tune tot in-fase signaal op de lock-in versterker toeneemt en begint plateau staat deze waarde V _tune, dat de spanning op de tip. Hierdoor kunnen alle kosten van de meting naar de HEMT plaats van lekken via draad L.
    8. Het optimaliseren van de interne fase van de lock-in versterker met haar Autophase vermogen en opnemen van de fasewaarde.
    9. Wachten op de HEMT te stabiliseren om te zorgen dat er geen significante thermische effecten (dit duurt vaak tot twee uur).
11. De balans van de HEMT door het aanpassen van het signaal van de standaard condensator zodat alleen de van belang zijnde signaal gaat naar de lock-in versterker. Aanpassingen van het signaal op destandaard condensator kan hetzij de amplitude V van _evenwicht of de relatieve fase tussen V en V _{evenwicht excitatie.} De HEMT wordt evenwicht geacht wanneer de in-fase signaal op de lock-in versterker geminimaliseerd in deze stap van de procedure.
12. Voer scannen oplading beeldvorming.
    1. Stel de DC bias spanning V _DC op het monster.
    2. Verleng de tip om binnen 1 nm van het oppervlak, met behulp van het touch punt als referentiepunt.
    3. Noteer de uitgang van de lock-in versterker met het data acquisitie software, is het signaal van belang.
    4. Scan de steekproef. Om een ​​goede resolutie te verkrijgen, kan de scans moeten worden verworven op het tarief van enkele uren per scan om voldoende signaalmiddeling voor elke pixel mogelijk te maken en smeren van de signaal over aangrenzende pixels van het beeld te voorkomen. Meerder scans over hetzelfde gebied en gemiddeld deze scans samen om de signaal-ruisverhouding te verbeteren.
13. Voer capacitieve (CV) spectroscopie met de punt stilstaat boven een ondergrondse kenmerk van belang in het beeld accumulatie lading tijdens de vorige stap opgedaan.
    1. Ramp V _DC en noteer de uitgang van de lock-in versterker met het data acquisitie software.
    2. Neem verschillende capaciteit versus voltage (CV) krommen op dezelfde locatie en gemiddeld deze krommen samen om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Gewoonlijk worden een paar bochten samen gemiddeld. Terwijl de gemiddelde krommen de signaal-ruisverhouding, vanwege de kans op drift tijdens scans, alleen enkele opeenvolgende scans elkaar worden gemiddeld.
14. Terug naar tunneling modus (STM).
    1. Trek de tip om haar evenwicht uitbreiding en opnieuw configureren van de elektronica voor STM. Opnieuw inschakelen van de terugkoppeling en noteer de huidige in-range uitbreiding van de punt (contactpunt).
    2. Scant het gebied tunneling modus om te zoeken naar functies in de topografie die artefacten kunnen hebben gegenereerd in de capaciteit beeldvorming en capaciteit spectroscopie.
15. Analyseren en interpreteren van data, na Reference 9 en de ondersteunende informatie in referentie 1.

Results

De belangrijkste indicator voor een succesvolle meting is reproduceerbaarheid, zoveel als in andere scanning probe methodes. Herhaalde metingen zijn zeer belangrijk om deze reden. Voor punt capacitieve spectroscopie, waarbij vele metingen achter elkaar op dezelfde plaats helpt om de signaal-ruisverhouding te verhogen en identificeren stoorsignalen.

Zodra een eigenschap van belang is geïdentificeerd binnen het imago van de lading accumulatie en capaciteit spectroscopie is uitgevoerd, de inter...

Discussion

Een gedetailleerde uitleg van de theoretische basis voor deze experimentele methode gegeven in de referenties 8 en 9 en besproken met betrekking tot het scenario van ondergrondse toeslagstoffen in referentie 2, het overzicht hier gepresenteerde derhalve kort en conceptuele. De tip wordt behandeld als een plaat van een condensator, en de geleidende laag ten grondslag liggen aan het monster bestaat uit de andere plaat. Wanneer de DC spanning zodanig dat elektronen worden getrokken naar de punt, en als er een doteringsatoo...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design STM	Custom		References 14 and 15
Besturingselektronica voor STM	RHK Technology	SPM 1000 Revisie 7
Lock-in versterker	Stanford Research Systems	SR830
Curve tracer	Tektronix	Type 576
Oscilloscoop	Tektronix	TDS360
Multimeter	Tektronix	DMM912
Draaddraadbonder	WEST·BOND	7476D	met K~1200D temperatuurregelaar
Solderbout	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
Materiaal
Pt/Ir draad, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer	axt	S-I	Voor de montagechip
99,99% Au draad, 2 mil diameter	SPM		Voor de montagechip
99,99% Au draad, 1 mil diameter	K&S		Voor draaddraadbonding
Indium schot	Alfa Aesar	11026
Zilveren epoxy	Epo-Tek	EJ2189-LV	Elke laag-temperatuur compatibele geleidende epoxy is acceptabel
HEMT	Fujitsu	Low Noise HEMT