Name: Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Aprenda a usar microscopia eletrônica de tunelamento resolvida no tempo para investigar dinâmicas de dopantes únicos em silício com resolução nanossegundo. Este método acessível não requer integração óptica.

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Gostaríamos de agradecer a Martin Cloutier e Mark Salomons por seus conhecimentos técnicos. Agradecemos também a NRC, NSERC e AITF apoio financeiro.

1. instalação inicial do microscópio e experiências
<ol><li>Comece com uma ultra alta STM criogênico capaz de vácuo e software de controle de associados. Legal o STM a temperaturas criogênicas. Nota: Ao longo deste relatório, ultra vácuo refere-se aos sistemas que alcançar < 10 x 10-10 Torr. O STM deve ser refrigerado a temperaturas criogênicas; Isto é especialmente importante quando investigando a dinâmica da carga de dopantes, que são termicamente ativados em temperaturas modestas. Outras câmaras podem estar à temperatura ambiente.</li>
	<li>Certifique-se de que a ponta do STM está equipada com cabos de alta-frequência (~ 500 MHz). Nota: Usando métodos de modelagem de pulso, um grande aumento na resposta de tempo de um STM com fiação coaxial de condições normais de temperatura criogênica (~ 20 MHz) foi relatado por Grosse et al 31
</li>
	<li>Conecte um gerador de função arbitrária pelo menos dois canais para a ponta (Figura 2), que será usado para preparar os ciclos de tensão pulso pares usados para experimentos de bomba-sonda.</li>
	<li>Configure o gerador de função arbitrária para que os pulsos de tensão da bomba e a sonda são gerados de forma independente e resumiu antes sendo alimentado na ponta.</li>
	<li>Aplica a tensão de polarização DC usada para espectroscopia de imagem e convencional para a amostra (VDC).</li>
	<li>Conecte dois switches de radiofrequência para canais de saída do gerador de função arbitrária.</li>
	<li>Configure as opções para que a ponta vai ficar de castigo durante espectroscopia de imagem e convencional de STM, e o preconceito eficaz é VDC + Vponta durante experimentos de bomba-sonda (Figura 4A).</li>
	<li>Recolha o encapsulamento atual para todas as medições através de um pré-amplificador conectado à amostra.</li>
</ol>2. preparação da reconstrução H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>Cleave uma amostra de uma bolacha de Si(100) 3-4 mΩ·cm n-tipo arsênico dopado por coçar as costas de wafer com um scriber carboneto de silício e delicadamente tirando a amostra a bolacha com lâminas de microscópio.</li>
	<li>Apor a amostra para um porta-amostras STM e apresentá-lo para uma câmara de vácuo ultrahigh adjacente à câmara STM.</li>
	<li>Desgaseifica a amostra por resistively, aquecendo-a 600 ° C (um pirômetro pode ser usado para monitorar a temperatura da amostra) e mantida a esta temperatura pelo menos 6 h no vácuo ultra alta. Nota: A pressão inicialmente se levantará como a amostra e o porta-amostras desgaseificar, mas devem estabilizar próximo da pressão de base (< 10-10 Torr) depois de várias horas.</li>
	<li>Permitir que a amostra arrefecer à temperatura ambiente antes de continuar.</li>
	<li>Desgaseifica um filamento de tungstênio na mesma Câmara que a amostra resistively aquecendo o filamento a 1800 ° C e esperando o sistema recuperar a pressão de base. Desliga os filamentos antes de continuar. Nota: A amostra pode permanecer na câmara durante esta etapa, porque isso é passivated pela camada de óxido nativo em sua superfície, e qualquer contaminação da superfície da amostra causada desta etapa será removida posteriormente. Temperatura do filamento terá de ser calibrado para uma específico da corrente/tensão aplicada ao filamento usando um pirômetro.</li>
	<li>Remover o óxido da superfície da amostra por piscando a amostra a 900 ° C e mantida a esta temperatura por 10 s antes de refrigerá-lo à temperatura ambiente. A pressão vai aumentar várias ordens de grandeza da pressão da base durante o procedimento de piscamento. Depois de cada um dos flashes encontrados durante todo este processo, aguardar a amostra arrefecer à temperatura ambiente e o sistema recuperar a pressão de base antes de continuar. Nota: Piscando é definido dentro este relatório como aquecimento e resfriamento da amostra, com taxas de rampa alta, da ordem de 100 ° C/s.</li>
	<li>Flash progressivamente a amostra a temperaturas mais altas durante a tentativa de chegar a um final flash de 1250 ° C. Anule qualquer flash onde a pressão se eleva acima de 9 x 10-10 Torr para impedir que a superfície da amostra ficar contaminado. Grave a tensão/corrente usada para atingir a 1250 ° C flash (a luz emitida pelo filamento aquecido na etapa 2.6 irá impedir um pirômetro dando uma leitura precisa da temperatura da amostra, e assim este setpoint deve ser usado). No final flash, determinar a tensão/corrente necessária para aquecer a amostra de 330 ° C, como o cristal é resfriado e, em seguida, deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente e deixe o sistema recuperar a pressão de base antes de continuar.</li>
	<li>Vazamento de gás de2 H para a câmara a uma pressão de 1 x 10-6 Torr e aquecer o filamento de tungstênio para 1800 ° C. Nota: Isto tem o efeito de quebrar o H2 a atmoic hidrogênio32.</li>
	<li>Segurar a amostra nestas condições por 2 min antes de piscar a amostra a 1250 ° C, , segurando-o a essa temperatura por 5 s e refrigerá-la de 330 ° C.</li>
	<li>Após 1 min de exposição a 330 ° C, simultaneamente fechar a válvula de escape de2 H, desligue o filamento de tungstênio e deixe a amostra esfriar a temperatura ambiente. Nota: Estas altas temperaturas flash afetam a distribuição de dopantes na amostra. Aquecimento a 1250 ° C foi encontrado para induzir uma região de depleção ~ 60 nm dopant perto da superfície de amostra30.</li>
	<li>Verificar a qualidade do exemplo tomando imagens STM da superfície. Nota: Boas amostras terá grandes (> 30 nm nm x 30) terraços com uma taxa de defeito de < 1% (balançando títulos moléculas adsorvidas, adatoms, etc) e irá demonstrar o clássico Si(100)-(2x1) reconstrução32, que apresenta linhas de dímero atravessa antiparalela para um outro passo as bordas (Figura 3B).</li>
</ol>3. avaliação da qualidade dos pulsos bomba-sonda na junção de túnel
<ol><li>Aproxime a ponta do STM para a superfície da amostra, envolvendo o atual controlador de feedback com um setpoint atual do pA 50 e um viés da amostra de-1.8 V. Nota: Nestas condições, a dica é estimada em < 1 nm da superfície da amostra. A ponta do STM utilizada neste trabalho foi produzida pela gravura quimicamente policristalino tungstênio. Ele estava afiado ainda mais usando um nitrogênio gravura de procedimento, que é bem descrito em Rezeq et al . 33.</li>
	<li>Procure uma área na superfície de amostra livre de defeitos de superfície grandes tomando digitalizações de grande área (por exemplo, 50 nm, x 50 nm).</li>
	<li>Posição do STM tombar um H-Si na superfície, que aparecem como linhas dímero em imagens STM (Figura 3B).</li>
	<li>Desligue o atual controlador do gabarito</li>
	<li>Definir VDC para -1,0 V Vbomba para -0.5 V, Vsonda de -0,5 V, a largura dos pulsos bomba e sonda para 200 ns e o tempo de subida/descida dos pulsos para 2,5 ns (Figura 4A).</li>
	<li>Enviar uma série de trens de pulsos de bomba e sonda onde o atraso relativo da bomba e sonda é varrido da-900 ns para 900 ns.</li>
	<li>Sinopse o encapsulamento atual em função do atraso entre a bomba e a sonda. Provavelmente irá demonstrar fortes toque (as oscilações o encapsulamento atual em função do relativo atraso entre os pulsos de bomba e sonda, Figura 4B). Nota: O software Python e origem foram usados para plotar, analisar e avaliar os dados coletados para este manuscrito.</li>
	<li>Repita as etapas 3.1-3.5, mas aumentar os tempos de subida/descida dos pulsos. O zumbido irá diminuir como são aumentados os tempos de subida/descida. Nota: Isso tem desejado para eliminar o zumbido para fornecer os resultados mais precisos e espectroscópicos, no entanto, o tempo de resolução destas técnicas é limitado à largura dos pulsos utilizados. ascensão de ns 25 vezes foram utilizados para este trabalho.</li>
</ol>4. tempo-resolvido varredura de tunelamento espectroscopia (TR-STS)
<ol><li>Posição do STM tombar um silício DB, que aparecem como brilhantes saliências em preconceitos de ponta-amostra negativas (Figura 3B).</li>
	<li>Desligue o controlador de feedback atual STM.</li>
	<li>
Envie que um trem composto de apenas o pulso da sonda com uma taxa de repetição de 25 kHz. Ao longo de uma série de trens de pulso, varrer o viés do pulso sonda sobre uma escala de 500 mV de viés de-1.8 V DC. Nota: Este experimento simples é análogo ao STS convencionais onde a condutância é amostrada sobre uma série de preconceitos.<ol>
<li>Configurar a duração dos trens de pulso (cada uma com um viés diferente), tal que os espectros resultantes tem um sinal / ruído > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que V + VDC bomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC,bombade Ve Vthr -1.8 V, 500 mV e-2.0 V, respectivamente. Nota: A bomba de pulsos podem ter arbitrariamente longas durações (1 µs é normalmente suficiente).</li>
	<li>
Enviar um comboio composto dos pulsos bomba com os pulsos de sonda, seguidos por um atraso de 10 ns. Nesses experimentos, definir a amplitude do pulso da bomba como 500 mV e da varredura de pulso da sonda de 50 a 500 mV. Nota: Neste experimento, o pulso de sonda amostragem é o estado preparado pelo pulso de bomba, em vez do estado de equilíbrio amostrados em STS convencionais.<ol>
<li>Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso de bomba foi aplicado ao exibir/avaliar o sinal coletado desta etapa.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Comparar apenas a sonda e a bomba + sonda sinais plotando-los no mesmo gráfico. Qualquer histerese em dois sinais é uma indicação de dinâmicas que podem ser analisadas com técnicas STM tempo-resolvido. Nota: Mantendo o intervalo do pulso sonda fixado e digitalização grosseiramente o DC um deslocamento (em 0,25 V passos, por exemplo), pode eficientemente mapear faixa de toda energia da amostra para identificar a dinâmica acessível para a técnica. Durações de pulso podem ser modificadas dependendo da experiência. A largura do pulso da bomba precisa ser mais do que a taxa na qual o dopant é ionizada, tal que é consistentemente ioniza o dopant. Em geral, durações de sonda devem ser da mesma ordem como o processo dinâmico sob estudo, tal que o sinal máximo pode ser medido sem amostragem média as condutância de dois Estados. Quando à procura de energias no qual dinâmica existe, é recomendável que durações da sonda são minimizadas tal que apenas um estado do sistema é medido para realçar a histerese. Como as constantes de tempo de relaxamento são encontradas, a duração do pulso a sonda pode ser aumentada para melhorar a relação sinal / ruído.</li>
</ol>5. tempo-resolvido STM medições da dinâmica de relaxamento
<ol><li>Posicione a ponta do STM sobre um silício DB e desligar o controlador de feedback atual STM.</li>
	<li>Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que V + VDC bomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC,bombade Ve Vthr -1.8 V, 400 mV e-2.0 V, respectivamente. Nota: A bomba de pulsos podem ter arbitrariamente longas durações (1 µs é normalmente suficiente).</li>
	<li>Envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Certifique-se de que os pulsos de sonda tem uma amplitude menor do que as bombas e comparáveis para o intervalo no qual histerese ocorre (Vsonda < Vbomba,sonda de V+ VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>Varra o atraso entre a bomba e sonda pulso até várias dezenas de µs.</li>
	<li>Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso de bomba foi aplicado. Nesses experimentos, conjunto o VDC,bombade Ve Vsonda para-1.8 V, 400 mV e 210 mV, respectivamente. Como a varredura de atraso relativo de μs-5 35 μs. Nota: Se o sinal obtido na etapa anterior é bem cabida (R2 > 0,80) por uma função de decaimento exponencial simples, então o tempo de vida do estado transiente, preparado pelo pulso a bomba pode ser extraído o ajuste.</li>
</ol>6. tempo-resolvido STM medições da excitação dinâmica
<ol><li>Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que maior que VDC + Vbomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC e Vthr -1.8 V e-2.0 V, respectivamente. Definir Vbomba entre 220 e 450 mV.</li>
	<li>Varra a duração do pulso de vários nanosegundos bomba a várias centenas de nanossegundos.</li>
	<li>Envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Os pulsos de sonda devem ter uma amplitude menor do que as bombas e comparáveis para o intervalo no qual histerese ocorre (Vsonda < Vbomba,sonda de V+ VDC≈V hystersis). Nesses experimentos, conjunto Vsonda para 210 mV.</li>
	<li>Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso da sonda foi aplicado. Nota: Se o sinal obtido é exponencial, ele indica que o pulso da bomba está a preparar o estado transiente (dopant ionizado) em uma taxa que pode ser extraída o ajuste (R2> 0,80). O protocolo descrito acima é específico para os experimentos e equipamentos aqui descritos. Há muitos caminhos possíveis para os leitores para personalizar a sua própria configuração experimental para estudos de outros sistemas. Por exemplo, as técnicas gerais não estão limitadas a STMs criogenicamente refrigerados; pode ser usado qualquer material de ponta, e não necessitam de gravura de nitrogênio. Além disso, um gerador de função arbitrária devidamente programada pode ser usado para gerar formas de onda de pulso duplo, que negam a necessidade para somar dois canais independentes. Por último, menor largura de banda de cabeamento pode ser utilizado31.</li>
</ol>

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</ol>

Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

A variante de TR-STS em que o pulso de bomba não é aplicado é comparável ao STS convencionais, exceto que o sistema está sendo amostrado em uma alta frequência, ao invés de continuamente. Se as durações de pulsos a sonda são apropriadas (>ΓLH), o TR-STS do sinal adquirido sem o pulso da bomba pode ser multiplicado por uma constante proporcional ao ciclo de dever do experimento para coincidir exatamente com um STS convencional medição. Isto só é possível porque as medições são feitas sem o uso de um am...

Varredura de tunelamento (STM) a microscopia, tornou-se a principal ferramenta em Nanociência por sua capacidade de resolver topografia escala atômica e estrutura eletrônica. Uma limitação do STM convencional, no entanto, é que sua resolução temporal é restrita para a escala de tempo de milissegundos por causa da largura de banda limitada do pré-amplificador atual1. Ele tem sido um objetivo de estender a resolução temporal do STM para as escalas em que comumente ocorrem processos atômicos. O pioneiro trabalho tempo-resolvido microscopia de tunelamento (TR-STM) por Freeman et. al. 1 utilizados switches fotocondutoras e linhas de transmissão de microstrip estampadas na amostra para transmitir impulsos de tensão picosegundo para a junção de túnel. Esta junção-mistura técnica tem sido usada para alcançar resoluções simultâneas de 1 nm e 20 ps2, mas nunca foi amplamente adotada devido a necessidade do uso de estruturas especializadas de amostra. Felizmente, o insight fundamental adquirido com estes trabalhos pode ser generalizado para muitas técnicas de tempo-resolvido; mesmo que a largura de banda do circuito do STM é limitada a vários kHz, a resposta não-linear de I(V) no STM permite a ser sondado pelo túnel médio atual obtido ao longo de muitos ciclos de bomba-sonda de medição dinâmica mais rápida. Nos anos seguintes, muitas abordagens têm sido exploradas, o mais popular dos quais é revistos brevemente abaixo.
Abalada-par-excitação por impulsos (SPPX) STM tira proveito dos avanços em tecnologias de laser pulsado ultra rápida para atingir resolução sub picosegundo por diretamente iluminando a junção de túnel e emocionante transportadoras na amostra3. Luz laser incidente cria enciclopédia transportadoras que transitoriamente melhoram a condução e permite a modulação do atraso entre a bomba e a ponta de prova (td) deu/dtd a ser medida com um amplificador de fechamento-em. Porque o atraso entre a bomba e a sonda é modulado em vez de intensidade do laser, como em muitas outras abordagens ópticas, SPPX-STM evita expansão térmica induzida por iluminação foto do ponta3. Extensões mais recentes desta abordagem estendemos as escalas de tempo durante o qual SPPX-STM pode ser usado para investigar a dinâmica, utilizando técnicas de pulso-colheita para aumentar o alcance da bomba-sonda atraso vezes4. Importante, esta evolução recente também fornece a capacidade de medir o (td) curvas diretamente, em vez de através de integração numérica. Recentes aplicações de SPPX-STM tem incluído o estudo de recombinação de transportadora em single-(Mn, Fe)/GaAs(110) estruturas dinâmicas5 e doador em GaAs6. Aplicações de SPPX-STM enfrentam algumas restrições. O sinal QUE SPPX-STM medidas depende de livre transportadoras excitadas pelos pulsos ópticos e é o mais adequado para semicondutores. Além disso, embora a corrente de tunelamento é localizada na ponta, porque uma grande área estava entusiasmada com os pulsos ópticos, o sinal é uma convolução das propriedades locais e transporte de material. Finalmente, o viés na junção é fixo na escala de medição de tempo para que a dinâmica em estudo deve ser a participação.
Uma técnica mais recente ótica, terahertz STM (THz-STM), casais pulsos de espaço livre THz focados na junção com a ponta do STM. Ao contrário de em SPPX-STM, os pulsos de acoplamento se comportam como pulsos de tensão rápido permitindo para a investigação de excitações eletronicamente conduzidas com sub picosegundo resolução7. Curiosamente, a corrente retificada gerado a partir os pulsos THz resultados em densidades de corrente de pico extremo não acessíveis por convencional STM8,9. A técnica tem sido usada recentemente para estudar elétrons quentes em Si(111)-(7x7)9 e a vibração de uma molécula de Pentaceno único10de imagem. THz-pulsos casal naturalmente para a ponta, no entanto, a necessidade de integrar uma fonte THz para um experimento STM é susceptível de ser um desafio para muitos experimentadores. Isso motiva o desenvolvimento de outras técnicas amplamente aplicáveis e facilmente implementáveis.
Em 2010, Carlos et al . 11 desenvolveu uma técnica todo-eletrônico onde pulsos de tensão de nanossegundos aplicados em cima de um deslocamento de DC eletronicamente bomba e sondar o sistema11. A introdução desta técnica ofereceu uma demonstração crítica de inequívocas e práticas aplicações de tempo-resolvido STM para medir previamente despercebida física. Embora não seja tão rápido como junção mistura STM, que o precedeu, aplicação de pulsos de microondas para a ponta do STM permite amostras arbitrárias para ser investigado. Esta técnica não requer qualquer complicadas metodologias ópticas ou acesso óptico até a junção do STM. Isso torna a técnica mais fácil para se adaptar à baixa temperatura STMs. A primeira demonstração destas técnicas foi aplicada ao estudo da rotação-dinâmica onde um spin-polarizada STM foi usado para medir a dinâmica de relaxamento da rotação-estados excitados pelo bomba pulsos11. Até recentemente, seu requerimento permaneceu limitada a adatom magnética sistemas12,13,14 , mas tem desde que foi estendido para o estudo da taxa de captura do portador de uma discreta abertura mid15 e carga dinâmica de dopantes único arsênico em silicone15,16. O último estudo é o foco deste trabalho.
Estudos sobre as propriedades de dopantes único em semicondutores recentemente tem atraído a atenção significativa, porque dispositivos de semicondutor (CMOS) de óxido metálico complementar estão entrando o regime onde único dopantes podem afetar Propriedades do dispositivo17 . Além disso, diversos estudos têm demonstrado que os dopantes único podem servir como o componente fundamental de futuros dispositivos, por exemplo como qubits de computação quântica18 e quântica memória19e como único átomo transistores20 , 15. dispositivos de futuro também podem incorporar outros defeitos de escala atômica, tais como o silício balançando o vínculo (DB), que pode ser modelado com precisão atômica com STM litografia de21. Para este fim, DBs têm sido propostos como carga qubits22, pontos quânticos para quântica autômatos celulares arquiteturas23,24e25,de fios atômico26 e tem sido modelados para criar quântica lógica hamiltoniano gates27 e moléculas artificiais28,29. Avançando, dispositivos podem incorporar ambos os dopantes único e DBs. Esta é uma estratégia atraente, porque DBs são defeitos na superfície que podem ser facilmente caracterizados com STM e usados como um identificador para caracterizar dispositivos dopant único. Como um exemplo dessa estratégia, DBs são usados neste trabalho como sensores de carga para inferir a carga dinâmica de dopantes perto da superfície. Estas dinâmicas são capturadas com o uso de uma abordagem todo-eletrônico para TR-STM que é uma adaptação das técnicas desenvolvidas pela Loth et al 11
Medições são feitas em DBs selecionados em uma superfície de Si(100)-(2x1) de hidrogênio finalizado. Uma região de depleção dopant estendendo aproximadamente 60 nm abaixo da superfície, criado através do tratamento térmico do cristal30, dissocia o DB e os poucos restantes perto da superfície dopantes de bandas a granel. Estudos STM de DBs descobriram que sua condutância é dependente de parâmetros da amostra global, tais como a concentração de dopantes e a temperatura, mas DBs individuais também mostram fortes variações dependendo do seu ambiente local16. Durante uma medição do STM sobre um único DB, o fluxo de corrente é regulado pela taxa na qual elétrons podem cavar um túnel da maior parte do DB (Γem massa) e do DB da ponta (dicadoΓ) (Figura 1). No entanto, porque a condução do DB é sensível ao seu ambiente local, o estado de carga de dopantes nas proximidades influencia Γagranel (figura 1B), que podem ser inferidas pelo monitoramento da condutibilidade do DB. Como resultado, a condutância de um DB pode ser usada para sentir os Estados de carga de dopantes nas proximidades e pode ser usada para determinar as taxas em que os dopantes são fornecidos elétrons a granel (ΓLH) e perdê-los para a ponta do STM (ΓHL < / c13 >). Para resolver essas dinâmicas, TR-STS é realizada ao redor as tensões de limiar (Vthr) no qual a ponta induz a ionização de dopantes perto da superfície. O papel dos pulsos da bomba e a sonda é o mesmo das três técnicas experimentais tempo-resolvido aqui apresentados. A bomba transitoriamente traz o viés nível de abaixo acima Vthr, que induz a ionização dopant. Isto aumenta a condutância do DB, que é amostrado pelo pulso de sonda que segue em um viés de baixo.
As técnicas descritas neste artigo beneficiará aqueles que desejam caracterizar a dinâmica ocorrendo o milissegundo para nanossegundos calendário com STM. Embora estas técnicas não estão limitadas a estudar a dinâmica de carga, é crucial que a dinâmica se manifestam através de alterações transientes na condutância de Estados que podem ser analisados pelo STM (i.e., os Estados ou perto da superfície). Se a condutância dos Estados transitórios não difere significativamente o estado de equilíbrio, tal que a diferença entre as correntes transientes e equilíbrio multiplicado pelo ciclo de pulso de sonda (normalmente é menor do que o piso de ruído de sistemas 1 pA), o sinal será perdido no meio do ruído e não será detectável por esta técnica. Porque as modificações experimentais de sistemas STM comercialmente disponíveis necessários para executar as técnicas descritas neste artigo são modestas, prevê-se que estas técnicas serão amplamente acessíveis para a Comunidade.

<table><tbody><tr><td>Microscópio de tunelamento de varredura de baixa temperatura</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Feito sob medida com fiação de largura de banda de 500 MHz</td></tr><tr><td>Função arbitrária Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>RF Power Splitter / Combiner</td><td>Mini-Circuitos</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr> <tr>Mini Circuitos de <td>Comutação RF</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Pirômetros Infravermelhos Sem Contato</td><td>MI infravermelho de mícron</td><td>140</td><td></td></tr></tbody></table>

todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: facilitar a investigação do dopant única carga dinâmica

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

A miniaturização de dispositivos semicondutores para escalas onde pequenos números de dopantes podem controlar Propriedades do dispositivo requer o desenvolvimento de novas técnicas capazes de caracterizar a sua dinâmica. Investigar o único dopantes requer resolução espacial sub nanômetros, o que motiva o uso da microscopia de tunelamento (STM). No entanto, STM convencional é limitada a resolução temporal de milissegundos. Vários métodos foram desenvolvidos para superar esta lacuna, incluindo STM tempo-resolvido todo-eletrônico, que é usado neste estudo para examinar a dinâmica do dopant em silicone com resolução de nanossegundos. Os métodos apresentados aqui são amplamente acessíveis e permitam a medição local de uma grande variedade de dinâmica na escala atômica. Um romance tempo resolvido por verificação técnica de espectroscopia de encapsulamento é apresentado e usado para pesquisar com eficiência dinâmica.

Os resultados apresentados nesta seção do texto tem sido previamente publicados15,16. A Figura 3 ilustra o comportamento de um exemplo selecionado DB com STM convencional. Uma medição de I(V) convencional (Figura 3A) mostra claramente uma mudança acentuada a condutância do DB no Vthr =-2.0 V. Esse comportamento também é observado em STM imagens tomadas...

Vamos demonstrar um método todo-eletrônico para observar a dinâmica de carga nanossegundo-resolvido de átomos do dopant em silicone com um microscópio de tunelamento.

Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica

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

O objetivo geral da microscopia eletrônica de tunelamento de varredura resolvida no tempo é estudar os processos dinâmicos que ocorrem na escala atômica. Nesses experimentos, a dinâmica carregada de dopantes em silício é estudada. Esses métodos podem ser usados para investigar fenômenos interessantes no campo da nanotecnologia e da física, como a taxa na qual os dopantes em semicondutores são fornecidos com elétrons ou como as correntes de tunelamento podem ser usadas para conduzir a ressonância magnética de átomos individuais.A principal vantagem dessas técnicas é que a dinâmica rápida pode ser estudada sem a necessidade de integrar a óptica na junção de tunelamento. Essas técnicas não se limitam a baixas temperaturas ou microscópios de tunelamento de varredura de ultra-alto vácuo. Para começar, resfrie o microscópio de tunelamento de varredura capaz de vácuo ultra-alto a temperaturas criogênicas.Certifique-se de que a ponta do microscópio esteja equipada com fiação de alta frequência capaz de cerca de 500 megahertz. Em seguida, conecte um gerador de função arbitrária com pelo menos dois canais à ponta. Prepare os ciclos de pares de pulsos de tensão usados para experimentos bomba-sonda configurando o gerador de função arbitrária para que os pulsos de tensão da bomba e da sonda sejam gerados independentemente e somados antes de serem alimentados na ponta.Em seguida, aplique a tensão de polarização CC usada para imagens em espectroscopia convencional à amostra. Em seguida, conecte dois interruptores de radiofrequência aos canais de saída do gerador de função arbitrária. Configure os switches para que a ponta seja aterrada durante a varredura, tunelamento, imagem e espectroscopia convencional.Colete a corrente de tunelamento para todas as medições por meio de um pré-amplificador conectado à amostra. Usando um riscador de carboneto de silício, raspe a parte de trás de um wafer de silício. Em seguida, use um par de lâminas de microscópio de vidro para retirar suavemente a amostra do wafer.Certifique-se de usar uma pinça de cerâmica para manusear cristais de silício. Fixe a amostra em um suporte de microscópio de varredura e tunelamento. Uma vez fixado no suporte, introduza-o na câmara de ultra-alto vácuo.Em seguida, desgaseifique a amostra aquecendo-a resistivamente a 600 graus Celsius e mantendo-a nessa temperatura por pelo menos seis horas no vácuo ultra-alto. Uma vez que a amostra tenha sido resfriada, use a mesma câmara para desgaseificar um filamento de tungstênio aquecendo resistivamente o filamento a 1.800 graus Celsius e esperando que o sistema se recupere à pressão de base. Em seguida, remova o óxido da superfície da amostra piscando a amostra a 900 graus Celsius e mantendo-a nessa temperatura por 10 segundos antes de resfriá-la de volta à temperatura ambiente.Acelere a amostra para temperaturas mais altas enquanto tenta atingir um flash final de 1.250 graus Celsius. Deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente após cada flash. Para garantir que a amostra permaneça limpa, aborte flashes onde a pressão sobe acima de nove vezes 10 elevado a 10 Torr negativos.Em seguida, vaze gás hidrogênio na câmara a uma pressão de um vezes 10 elevado a seis Torr negativos e aqueça o filamento de tungstênio a 1.800 graus Celsius. Isso transformará o gás em hidrogênio atômico. Manter a amostra nestas condições durante dois minutos antes de voltar a 1 250 graus Celsius.Após cinco segundos a 1.250 graus Celsius, resfrie-o novamente a 330 graus Celsius. Mantenha a temperatura em 330 graus Celsius por um minuto e, em seguida, feche simultaneamente a válvula de vazamento de hidrogênio e desligue o filamento de tungstênio. Deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente.Por fim, aproxime-se da ponta para amostrar envolvendo o controlador de feedback de corrente com uma polarização de amostra de 1,8 volts negativos, o ponto de ajuste de corrente de 50 picoamperes e usando a função de aproximação automática do software de controle. Faça varreduras de área da superfície na ordem de 50 por 50 nanômetros para verificar a qualidade da superfície. Deve haver grandes terraços separados por etapas de átomo único em uma taxa de defeito inferior a 1% As linhas de dímero da reconstrução de silício um zero zero dois por um devem ser claramente resolvidas.As ligações pendentes aparecem como saliências brilhantes em imagens de estado de campo. Procure uma área na superfície da amostra livre de grandes defeitos superficiais fazendo varreduras de grandes áreas de 50 nanômetros por 50 nanômetros. Para caracterizar o toque eletrônico, posicione a ponta sobre um átomo de hidrogênio na superfície.Como cada átomo de silício de superfície é terminado com um átomo de hidrogênio, isso equivale a posicionar a ponta sobre as fileiras de dímeros na superfície. Desligue o controlador de feedback de corrente e, em seguida, defina a tensão CC para menos 1,0 volts, depois a tensão da bomba para menos 0,5 volts, a tensão da sonda para menos 0,5 volts, a largura da bomba e dos pulsos da sonda para 200 nanossegundos e o tempo de subida e descida dos pulsos para 2,5 nanossegundos. Em seguida, envie uma série de trens de pulsos de bomba e sonda onde o atraso relativo da bomba e da sonda é varrido de menos 900 nanossegundos para 900 nanossegundos.O toque se manifesta por meio de oscilações de menor amplitude na corrente de tunelamento em ambos os lados da origem. Ao aumentar os tempos de subida nos pulsos de 2,5 nanossegundos para 25 nanossegundos, observa-se uma forte supressão do toque. Elimine o toque aumentando os tempos de subida e descida dos pulsos para obter os resultados espectroscópicos mais precisos.No entanto, esteja ciente de que aumentar a largura do pulso diminuirá a resolução. Posicione a ponta sobre uma ligação pendente de silício que aparece como saliências brilhantes em vieses negativos da amostra da ponta. Desligue o controlador de feedback atual e envie um trem composto apenas pelo pulso da sonda usado como sinal de referência com uma taxa de repetição de 25 kilohertz.Em uma série de trens de pulso, varra a polarização do pulso da sonda em uma faixa de 500 milivolts da polarização CC de 1,8 volts negativos. Cada pulso deve ter um viés diferente. Esta etapa é equivalente à espectroscopia IV padrão, mas com ciclo de trabalho reduzido.Certifique-se de que a largura dos pulsos seja longa o suficiente para obter uma relação sinal-ruído de pelo menos 10. Envie um trem composto de pulsos de bomba ajustados em uma polarização fixa para que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 kilohertz. Em seguida, envie um trem composto pelos pulsos da bomba com os pulsos da sonda seguidos por um atraso de 10 nanossegundos.Compare a sonda apenas na bomba e nos sinais da sonda, plotando-os no mesmo gráfico. Qualquer histerese em pequenos sinais é uma indicação de dinâmica que pode ser investigada com técnicas STM resolvidas no tempo. Para medir a dinâmica de relaxamento, posicione a ponta do microscópio sobre uma ligação pendente de silício e desligue o controlador de feedback atual.Em seguida, envie um trem composto de pulsos de bomba ajustados em uma polarização fixa, de modo que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 kilohertz. Em seguida, envie outro trem de pulsos de bomba e sonda. Certifique-se de que os pulsos da sonda tenham uma amplitude menor que as bombas e comparável à faixa em que ocorre a histerese.Finalmente, varra o atraso entre a bomba e o pulso da sonda até várias dezenas de microssegundos. Para determinar a dinâmica de excitação, envie novamente um trem composto de pulsos de bomba de modo que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 quilohertz. Varra a duração do pulso da bomba de vários nanossegundos para várias centenas de nanossegundos.Em seguida, envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Os pulsos da sonda devem ter uma amplitude menor que as bombas e comparável à faixa em que ocorre a histerese. Usando microscopia de tunelamento de varredura convencional, as ligações pendentes de silício ocorrem como saliências brilhantes em imagens de estado de campo viés de amostra negativo.Em alguns casos, eles exibem uma mudança brusca na condutância em menos dois volts. Para esta ligação pendente específica, as imagens tiradas em menos 2,1 volts, menos dois volts e menos 1,8 volts também mostram isso. Nessas medições resolvidas no tempo, um pulso de bomba traz transitoriamente o sistema acima do limite de tensão e, imediatamente após um pulso de sonda, interroga a condutância do estado transitório.Para maximizar a visibilidade da histerese, a duração do pulso da sonda deve ser menor do que a taxa de relaxamento do estado conduzido alto. Ao medir a dinâmica de relaxamento do dopante, as sequências de pulso variam em atraso entre a bomba e a sonda. Um único decaimento exponencial é extraído, que se acomoda em um deslocamento fixo com o tempo.Para tempos de excitação, a largura da tensão da bomba de sequência de pulsos é alterada. Ao varrer a largura da bomba, a taxa média na qual o dopante é ionizado é mapeada. É importante que você caracterize qualquer toque eletrônico em sua configuração de microscópio.O toque pode resultar em artefatos de sinal e deve ser eliminado. Além disso, esteja ciente de que eliminar o toque estendendo o comprimento do pulso resulta em uma perda de resolução de tempo e precisará ser otimizado. Embora tenhamos demonstrado microscopia de tunelamento de varredura resolvida no tempo para estudar dopantes em silício, essas técnicas podem ser aplicadas a muitos outros sistemas físicos.A principal vantagem dessas técnicas é que nenhum sistema óptico precisa ser integrado ao seu microscópio. Não se esqueça de que trabalhar com criogênios e altas tensões pode ser perigoso. Sempre garanta um ambiente de trabalho seguro e siga o protocolo de segurança adequado ao configurar e usar seu microscópio.

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Research

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Engineering

Engenharia

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