Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Kathleen A. Walsh; Megan E. Romanowich; Morewell Gasseller; Irma Kuljanishvili; Raymond Ashoori; Stuart Tessmer

doi:10.3791/50676

Method Article

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

DOI:

10.3791/50676

⸱

July 30th, 2013

Kathleen A. Walsh¹ , Megan E. Romanowich¹ , Morewell Gasseller¹^,² , Irma Kuljanishvili¹^,³ , Raymond Ashoori⁴ , Stuart Tessmer¹

¹Department of Physics and Astronomy, Michigan State University, ²Department of Chemistry & Biochemistry/Physics, Mercyhurst University, ³Department of Physics, Saint Louis University, ⁴Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą ułatwia badanie ruchu pojedynczego elektronu w zlokalizowanych obszarach podpowierzchniowych. Czuły obwód wykrywania ładunku jest wbudowany w kriogeniczny mikroskop skanujący w celu zbadania małych układów domieszek atomów pod powierzchnią próbek półprzewodnikowych.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Integracja technik niskotemperaturowych sond skanujących i spektroskopii pojemnościowej jednoelektronowej stanowi potężne narzędzie do badania elektronowej struktury kwantowej małych systemów - w tym pojedynczych domieszek atomowych w półprzewodnikach. Tutaj przedstawiamy metodę opartą na pojemności, znaną jako obrazowanie akumulacji ładunku podpowierzchniowego (SCA), która jest w stanie rozwiązać ładunek pojedynczego elektronu przy jednoczesnym osiągnięciu wystarczającej rozdzielczości przestrzennej do zobrazowania pojedynczych domieszek atomowych. Zastosowanie techniki pojemnościowej umożliwia obserwację cech podpowierzchniowych, takich jak domieszki zakopane wiele nanometrów pod powierzchnią materiału półprzewodnikowego^1,2,3. Zasadniczo technikę tę można zastosować do dowolnego systemu w celu rozwiązania ruchu elektronów pod powierzchnią izolacyjną.

Podobnie jak w^{innych technikach} skanowania sond 4 wrażliwych na pole elektryczne, rozdzielczość przestrzenna pomiaru zależy częściowo od promienia krzywizny końcówki sondy. Zastosowanie końcówek o małym promieniu krzywizny może umożliwić rozdzielczość przestrzenną rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Ta doskonała rozdzielczość przestrzenna pozwala na badanie niewielkiej liczby (z dokładnością do jednego) podpowierzchniowych domieszek^1,2. Rozdzielczość ładowania zależy w dużej mierze od czułości obwodu wykrywania ładunku; zastosowanie tranzystorów o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) w takich obwodach w temperaturach kriogenicznych umożliwia czułość około 0,01 elektronów/Hz^1/2 przy 0,3 K ⁵.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obrazowanie akumulacji ładunku podpowierzchniowego (SCA) jest metodą niskotemperaturową, zdolną do rozwiązywania zdarzeń ładowania pojedynczych elektronów. Po zastosowaniu do badania atomów domieszek w półprzewodnikach, metoda ta może wykryć pojedyncze elektrony wchodzące do atomów donorowych lub akceptorowych, co pozwala na scharakteryzowanie struktury kwantowej tych drobnych układów. Sercem obrazowania SCA jest lokalny pomiar pojemności⁶ dobrze nadający się do operacji kriogenicznych. Ponieważ pojemność opiera się na polu elektrycznym, jest to efekt dalekiego zasięgu, który może rozwiązać problem ładowania pod powierzchniami izolacyjnymi⁶. Ope....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Protokół

Wstępna konfiguracja mikroskopu i elektroniki.
1. Zacznij od mikroskopu z sondą skanującą z funkcją kriogeniczną i powiązaną elektroniką sterującą. Mikroskopy używane do opisanych tutaj badań wykorzystują translację inercyjną do "chodzenia" próbki w kierunku i od niej wzdłuż ramp¹³(wykonanych z materiału przewodzącego, takiego jak miedź, mosiądz lub stal nierdzewna, aby umożliwić im przenoszenie napięcia polaryzacji do próbki) w ramach projektu Besocke STM¹⁴, schematycznie pokazanego na rysunku 2.
2. Oprócz przewodów koncentrycznych napięcia polaryzacji i prądu tunelowego, należy zapewnić....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Głównym wskaźnikiem udanego pomiaru jest powtarzalność, podobnie jak w przypadku innych metod sondowania skanującego. Z tego powodu bardzo ważne są powtarzane pomiary. W przypadku spektroskopii pojemnościowej punktowej wykonywanie wielu pomiarów z rzędu w tym samym miejscu pomaga zwiększyć stosunek sygnału do szumu i zidentyfikować sygnały fałszywe.

Po zidentyfikowaniu interesującej cechy na obrazie akumulacji ładunku i wykonaniu spektroskopii pojemnościowej, interpretacja danych C-V rozpoczyn.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Szczegółowe wyjaśnienie teoretycznych podstaw tej metody eksperymentalnej znajduje się w odnośnikach 8 i 9 i omówiono w odniesieniu do scenariusza domieszek podpowierzchniowych w odnośniku 2; Przedstawiony tutaj przegląd będzie zatem zwięzły i koncepcyjny. Końcówka jest traktowana jako jedna płytka kondensatora, a warstwa przewodząca pod próbką składa się z drugiej płytki. Jeśli napięcie stałe zostanie przyłożone w taki sposób, że elektrony są przyciągane w kierunku końcówki, a między leżącą poniżej warstwą przewodzącą a.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Omawiane tutaj badania były wspierane przez Michigan State University Institute for Quantum Sciences oraz National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939 i DMR-0605801. K.W. dziękuje za wsparcie ze strony stypendium U.S. Department of Education GAANN Interdisciplinary Bioelectronics Training Program.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design STM	Custom		References 14 and 15
Elektronika sterująca dla STM	RHK Technology	SPM 1000 Revision 7
Wzmacniacz blokujący	Stanford Research Systems	SR830
Curve tracer	Oscyloskop Tektronix	Type 576
	Multimetr Tektronix	TDS360
	Tektronix	DMM912
Łącznik drutowy	WEST· BOND	7476D	z regulatorem temperatury K~1200D
Lutownica	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
Materiał
Pt/Ir drut, 80:20	nanoScience Instruments	201100
Wafel GaAs	axt	S-I	Do układu montażowego
Drut 99,99% Au, średnica 2 mil	SPM		Do układu montażowego
Drut 99,99% Au, średnica 1 mil	K& S		Do łączenia drutem
Śrut indowy	Alfa Aesar	11026
Srebrna żywica epoksydowa	Epo-Tek	EJ2189-LV	Dopuszczalna jest każda przewodząca żywica epoksydowa kompatybilna z niskimi temperaturami
HEMT	Fujitsu	Niski poziom hałasu HEMT

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon. Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).
Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles