Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

Summary

Сканирующего зонда одноэлектронными емкостной спектроскопии облегчает изучение одного движения электронов в локализованных подземных регионах. Чувствительный заряда схема обнаружения включена в криогенных сканирующий зондовый микроскоп для исследования небольших системах атомов легирующей примеси под поверхностью полупроводникового образцов.

Abstract

Интеграция низкотемпературной техники сканирующего зонда и одноэлектронного емкостной спектроскопии представляет собой мощное средство для изучения электронной структуры квантовых малых систем - в том числе отдельных атомных примесей в полупроводниках. Здесь представлены емкость на основе метода, известного как подземных накопления заряда (SCA) изображений, которые способны решить одноэлектронной зарядки при достижении достаточной пространственное разрешение на изображение отдельных атомных примесей. Использование емкости метод позволяет наблюдать подземных функций, таких как легирующие примеси похоронены многие нанометров под поверхностью полупроводникового материала ^1,2,3. В принципе, этот метод может быть применен к любой системе для разрешения движения электронов ниже изолирующей поверхности.

Как и в других электрических полей чувствительных отсканированного-зонд методы ^4, боковые пространственное разрешение измерения зависит частично от радиуса curvaturе зонда. Используя подсказки с малым радиусом кривизны может включить пространственным разрешением в несколько десятков нанометров. Это прекрасное пространственное разрешение позволяет исследования малых чисел (вплоть до одного) подземных ^1,2 примесей. Разрешение Зарядка во многом зависит от чувствительности схемы обнаружения заряда; использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT) в таких цепях при криогенных температурах позволяет чувствительность около 0,01 электрон / Гц ^½ при 0,3 K ^5.

Introduction

Подземные накопления заряда (SCA) изображений является низкотемпературный способ способны решить одноэлектронной зарядки событий. При нанесении на изучение атомов легирующей примеси в полупроводниках, метод может обнаружить отдельные электронов, входящих донорных или акцепторных атомов, что позволяет характеристику квантовой структуры этих систем минуту. По сути, SCA изображений является локальное измерение емкости ⁶ хорошо подходит для криогенного операции. Поскольку емкости основано на электрическом поле, это эффект дальнодействия, которые могут разрешить зарядку под изолирующие поверхности ^6. Криогенные операция позволяет исследовать одного движения электрона и квантовой расстояние между уровнями, которые были бы неразрешимы при комнатной температуре ^1,2. Этот метод может быть применен к любой системе, в которой движение электронов ниже изолирующей поверхности имеет важное значение, в том числе зарядки динамика в двумерных электронных системах при похоронен интерфейсы ^7; для краткости акцент здесь будет сделан на исследованиях полупроводниковых примесей.

На самом схематическом уровне, этот метод обрабатывает отсканированные наконечник как одна пластина плоского конденсатора, хотя реалистичный анализ требует более подробного описания для учета кривизны вершины ^8,9. Другой пластины в этой модели наноразмерных область основной проводящий слой, как показано на рисунке 1. По существу, как заряд поступает легирующей примеси в ответ на периодические напряжения возбуждения, становится ближе к кончику; это движение вызывает больше изображение заряда на наконечник, который обнаруживается с помощью датчика схеме ^5. Кроме того, как заряд выходит легирующей примеси, изображение заряда на кончике уменьшается. Таким образом, периодический сигнал зарядки в ответ на напряжение возбуждения является обнаруженный сигнал - по существу это емкость, таким образом, это измерение часто упоминается как определение CV характеристик системы.

палатка "> Во время измерения емкости, только чистая туннелирование между основными проводящим слоем и слоем легирующей примеси -. заряда никогда туннелей прямо на кончике отсутствие прямого туннелирования или от кончика во время измерения важное различие между этим техники и более знакомые сканирующей туннельной микроскопии, хотя большая часть аппаратных средств для этой системы является по существу идентичной помощью сканирующего туннельного микроскопа. Важно также отметить, что SCA изображений непосредственно не чувствительны к статического электричества. Для исследования статического заряда распределений, сканирование Метод Зонда Кельвина или электростатическими силовой микроскопии является соответствующее дополнительное криогенных методы изучения местных электронных поведения существуют, которые также имеют хорошие электронного и пространственного разрешения;. Например, проверка одноэлектронного транзистора микроскопии другой сканирующий зондовый метод, способный обнаруживать минуты зарядки ^4,10 эффектов. SCA изображений изначальноразработана в Массачусетском технологическом институте по Tessmer, Glicofridis, Ashoori, и сотрудники ^7, кроме того, метод, описанный здесь можно рассматривать как сканирующий зондовый версия одноэлектронными емкостной спектроскопии метод, разработанный Ashoori и сотрудников ^11. Одним из ключевых элементов измерения чрезвычайно чувствительны заряда схема обнаружения ^5,12 использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT), он может достичь уровня шума по цене от 0,01 электрон / Гц ^½ на 0,3 К, база температуры криостата в ссылке 5. Такая высокая чувствительность позволяет наблюдение одноэлектронных зарядки в подземных системах. Этот способ подходит для изучения электронной или дырочной динамики отдельных или небольшими группами легирующих примесей в полупроводниках, с типичным легирующей плотности записи порядка 10 ¹⁵ м ^-2 в плоской геометрии ^2. Пример типичной конфигурации образца для этого типа эксперимента показаны на рисунке 1 . Сло присадки, как правило, расположены в несколько десятков нанометров под поверхностью, важно знать точное расстояние между основной проводящий слой и слой легирующей примеси, а также между сло присадки и поверхностью образца. В отличие от туннельного, емкости не падает экспоненциально, но вместо этого существенно уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, примеси глубины в принципе может быть еще глубже, чем десятков нанометров под поверхностью тех пор, пока некоторые разумные часть электрического поля земли на конце. Для всех вышеупомянутых криогенной местного зондов электронных поведения, включая способ, описанный здесь, пространственное разрешение ограничивается геометрический размер наконечника и расстоянием между подземным особенностью интерес и сканирование зонда.

Protocol

1. ПРОТОКОЛ

1. Начальная настройка микроскопа и электроники
   1. Начните с криогенной способны сканирующего зондового микроскопа с соответствующей управляющей электроникой. Микроскопы используются для исследований, описанных здесь, используют инерциальные перевод "ходить" образца к и от иглой вдоль рампы ¹³ (из проводящего материала, например, меди, латуни или нержавеющей стали, чтобы они могли передавать напряжение смещения образец) как часть Besocke STM конструкции ^14, схематически показан на рисунке 2.
   2. В дополнение к напряжения смещения и туннельный ток коаксиальных проводов, обеспечить по крайней мере два других коаксиальных проводов и грозотроса, которые проходят от стойки электроники почти зоне наконечника микроскопа для эксплуатации криогенной схемы усилителя для чувствительного обнаружения заряда. Сборка элементов схемы усилителя, подробно описаны в литературе 5, 12 и 15, которые размещены на электронныйlectronics стойки; это часть цепи вне заштрихованный квадрат на рисунке 2. Эта часть схемы будет оставаться при комнатной температуре в течение всего эксперимента.
2. Соберите монтажный чип для наконечника и НЕМТ цепи (затененное окно на рисунке 2); НЕМТ схема будет снижена до криогенных температур для получения оптимального энергетического разрешения.
   1. Клив квадратный чип размером приблизительно 1 см х 1 см от пластины GaAs использованием писца, цепь датчика и чаевых будет установлен на этом чипе. Депозит примерно 100 нм золотых поверх клеевого слоя титана через shadowmask на чип GaAs, чтобы сформировать несколько колодки золота, каждый размером примерно 1 мм х 1 мм, к которой провода от HEMT и резистор смещения будут связаны. Размеры прокладки не являются критическими.
   2. Подготовьте острый СТМ зонда путем механической резки 80:20 Pt: Ir провод использования бокорез. Наконечник может быть также получен путем химического травления оR другим способом или могут быть приобретены на коммерческой основе. Определить радиус кривизны вершины с помощью сканирующего электронного микроскопа; радиус кривизны должен быть порядка пространственное разрешение, необходимое для эксперимента.
   3. Эпоксидные золотой проволокой на каждую из золота колодки с использованием проводящих эпоксидной способны выдерживать криогенные температуры; эти провода соединит элементов схемы на монтажной чип с коаксиальным проводам на микроскопе. Так как золото провода может быть легко удалена после того, как следующему шагу, если в них нет необходимости, эпоксидные несколько избыточных провода золота на колодки. Эпоксидные НЕМТ, резистор смещения и СТМ на GaAs монтажа чипов. Отверждения эпоксидной смолы, который обозначен на его информации о продукте. (См. таблицу материалов ниже.)
   4. Использование провод полуторный загружен золотой проволокой, связь истока, стока и затвора элементы HEMT отделить золото площадок на кристалле GaAs. Бонд временные провода, соединяющие затвором и истоком Oт сливной колодки для обеспечения ворота не заряжаются по отношению к исток-сток канала. Используйте заземляющий браслет для дополнительной безопасности при управлении НЕМТ, важно принять меры предосторожности, чтобы избежать введения бродячих статических зарядов, которая может уничтожить НЕМТ.
   5. Хранить подготовленное монтажное чип с проводами прикреплен к затвору и исток-сток канал HEMT электрически соединены друг с другом, чтобы избежать короткого замыкания HEMT. Если временные провода, упомянутые в предыдущем шаге были удалены, осторожно скрутите провода вместе. Проще всего подключить все провода друг с другом.
3. Прикрепите монтажные чипа к микроскопу.
   1. Убедитесь, что ворота и исток-сток каналы никогда не бывают плавающие, это сделано для предотвращения разрушительных шортах между затвором и исток-сток каналы НЕМТ. Заземление коаксиального провода на микроскоп, к которой провода от чип будет припаять.
   2. Прикрепите монтажные чип на вершине тОн пьезотрубки сканирования, как показано на рисунке 2.
   3. Припой золота проводов, проходящих от монтажной чип на соответствующие коаксиальные кабели при помощи индия припоя.
4. Проверка целостности HEMT использованием характериографа подключенный к коаксиальному провода на стойке электроники. По существу, характериографа показывает исток-сток вольт-амперные характеристики. Наиболее распространенный отказ режим короткого замыкания между HEMT ворота и его исток-сток канал, что приводит к исток-сток характеристики, которые нечувствительны к напряжения на затворе.
5. Установите образца. Прогулка в диапазоне микроскопа настроены в режиме STM чтобы гарантировать, что образец будет успешно подход наконечника.
   1. Подключите провода T предусилителя используются для СТМ измерения туннельного тока, и приложить напряжение смещения постоянного тока _{постоянного тока} для провода B. (Все соединения выполняются на электронику стойку.)
   2. Прогулка в до образца и иглы не в туннельных диапазоне. Когда в РАNGE, сканирования пьезотрубки должна оставаться слегка расширены от положения равновесия так, чтобы заземления сканирования пьезотрубки вызовет кончик отказаться от своего в расширении диапазона. Это подтверждает, что образец может успешно подойти к чаевые. Выйдите из диапазона после этого, для защиты наконечника в течение следующих действий.
   3. Передача микроскоп из лаборатории крышке, Дьюара для возможного низкотемпературной эксплуатации. На данный момент, на этапе тестирования является полным и экспериментальной фазе может начаться.
6. Откачать микроскоп до вакуума несколько microtorr. Охладите микроскопом до 4,2 К или ниже для оптимального энергетического разрешения, следуя указаниям, приведенным в руководстве по криостата.
   1. После охлаждения микроскопом на свою базу температуры, позволяют микроскоп времени, достаточного для достижения теплового равновесия, так как повторные, длительные сканирований той же самой области будет выполнена, важно свести к минимуму температурный дрейф. (Дрейфсдвиг в положении равновесия кончика по отношению к образцу.)
   2. Подвешивание Дьюара, чтобы изолировать микроскоп как можно больше от вибраций из-за механического соединения в здание и вакуумные насосы и другие устройства, подключенные к микроскопа и Дьюара. Это может быть сделано с помощью пружинного система подвески мозга, как в ссылочном 15, или с помощью пневматических рессор или аналогичным методом.
7. После охлаждения микроскопом и, прежде чем сбор данных, проверки целостности HEMT снова используя кривую индикатора.
8. Сканирование образца в туннельной (СТМ) режиме.
   1. Прогулка в диапазоне. Найдите область поверхности образца, которое свободно от мусора и от существенного роста или вариации проводимости, а также обеспечить стабильную наконечник.
   2. Коррекции любой наклон образца, это особенно важно, потому что емкость сканирование будет выполняться с обратной связью инвалиды, таким образом, кончик может врезаться в поверхность, если Scannния плоскости, не параллельной поверхности образца. В принципе, можно использовать емкостной сигнал с обратной связью для поддержания постоянной емкости во время сканирования наконечника, однако, на практике сигнал не является достаточно прочным, чтобы предотвратить аварии, если используется обратная связь.
   3. Заметим любой температурный дрейф так, что он может быть компенсирован путем перестановки наконечник смещения. Обратите внимание на количество расширение кончика то время как в диапазоне в режиме туннелирования, упомянутые в настоящем Протоколе точке касания.
9. Переход к невозмущенной площади образца, один из которых не отсканированы в СТМ режиме.
   1. Отключение системы обратной связи СТМ контроллера. Напомним, что, когда обратная связь отключена, руководство движения кончика может непреднамеренно привести к аварии. Большое внимание должно быть принято при перемещении наконечника.
   2. Уберите Совет Несколько десятков нанометров от точки касания.
   3. Сместить боковые положение кончика к соседней площади образца бееCH в последнее время не были проверены, чтобы избежать любых возмущений (такие как зарядка сайтов полупроводниковых легирующей примеси) напряжение смещения необходимые для обеспечения туннелирования через полупроводниковый образец для сканирования STM могла привести.
   4. Осторожно расширить кончиком к поверхности, пока наконечник смещения от равновесия расширение не является близкой по величине к точке касания.
10. Проводкой переключателя конфигурации емкости режиме.
    1. Заземляйте все коаксиального провода для защиты HEMT.
    2. Подключение коаксиального кабеля к соответствующим источникам напряжения и резисторов и синхронный усилитель и генератор функций, как показано на рисунке 2.
    3. Включите все источники напряжения. Чтобы избежать шокирует НЕМТ, начните с выходами напряжения источника при 0 В.
    4. Unground коаксиальных проводов, вспомнить, чтобы сохранить затвором и истоком, стоком канал HEMT соединены друг с другом как можно дольше, чтобы защитить HEMT.
    5. Установите Vение источник на резистивного делителя напряжения (провод D).
    6. Настройтесь НЕМТ к его наиболее чувствительном регионе, контролируя напряжение на провода L с помощью мультиметра во время настройки V _{мелодию.} Снова провод L к синхронному усилителю впоследствии.
    7. Не Увеличение V _{мелодию,} пока синфазный сигнал на синхронный усилитель увеличивается и начинает плато запись этого значения V _мотив, который является напряжением, приложенным к наконечнику. Это позволяет всем заряд от измерения пойти в НЕМТ вместо утечки через провода L.
    8. Оптимизация внутренней фазы синхронный усилитель используя свою способность autophase и записывать значение фазы.
    9. Подождите, пока НЕМТ стабилизировать чтобы у пассажиров было никаких существенных тепловых эффектов (это часто занимает до двух часов).
11. Остаток HEMT путем регулировки сигнала на стандартных конденсатор гарантировать, что только сигнал, представляющий интерес переходит к синхронному усилителю. Корректировка сигнала настандартный конденсатор может быть сделано либо с амплитудой _баланс В или с относительной фазы между V и V _{баланс возбуждения.} HEMT считается сбалансированным, когда синфазный сигнал на синхронный усилитель минимизируется на этом шаге процедуры.
12. Выполните сканирующий накопления заряда.
    1. Установите напряжение смещения постоянного тока _{постоянного тока} на образце.
    2. Расширение наконечник с точностью до 1 нм поверхности, с помощью сенсорной точки в качестве эталона.
    3. Запись выходе синхронный усилитель с использованием программного обеспечения сбора данных, это сигнал, представляющий интерес.
    4. Сканирование образца. Для получения хорошего разрешения, сканирование, возможно, потребуется быть приобретены в размере нескольких часов за одно сканирование, чтобы обеспечить достаточное усреднения сигнала для каждого пикселя и предотвращения размытия сигнала через прилегающие пиксели изображения. Выполнение нескольких сканирований над той же самой области, и средний эти сканирует вместе, чтобы улучшить отношение сигнал-шум.
13. Выполните емкости (CV) спектроскопии с наконечником выше стационарной подземной особенностью интересов в изображении накопления заряда приобретенные на предыдущем шаге.
    1. Рампа В _{постоянного тока} и записывать выходной сигнал синхронного усилител с использованием программного обеспечения сбора данных.
    2. Возьмем несколько емкости от напряжения (CV) кривых в том же месте, и средний эти кривые вместе, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. Как правило, несколько кривых усредняются вместе. В то время как усреднение кривых улучшает отношение сигнал-шум, из-за потенциального дрейфа во время сканирования, только несколько последовательных сканирований должны быть усреднены вместе.
14. Вернуться на туннельный (СТМ) режиме.
    1. Уберите конца к расширению равновесия и перенастроить электронику для СТМ. Повторное включение обратной связи и запишите присутствует в диапазоне расширением наконечника (точки контакта).
    2. Сканировать местность в режиме туннелирования искать функции в верхнемграфия которые, возможно, сгенерированные артефакты изображения в емкость и емкостной спектроскопии.
15. Анализировать и интерпретировать данные, после Ссылка 9 и вспомогательной информации в справочном 1.

Results

Главный показатель успешного измерения воспроизводимость, так же как и в других методах сканирующий зондовый. Повторные измерения очень важны для этой причине. Для точки емкостной спектроскопии, принимая множество измерений в последовательности в том же месте помогает увеличить отношение сигнал-шум и идентифицировать ложные сигналы.

После того, как функция интерес был идентифицирован в пределах изображения накопления заряда и емкостной спектроскопии было выполнено, интерпретация CV данных на...

Discussion

Подробное объяснение теоретической основой для этого экспериментального метода приведен в Литература 8 и 9 и обсуждали по отношению к сценарию подземных примесей в ссылке 2, обзор, представленные здесь, быть кратким и концептуальные. Кончик рассматривается как одна пластина конденсатора, а проводящий слой, лежащий в основе образец содержит другой пластине. Если напряжение постоянного тока прикладывается таким образом, что электроны притягиваются кончик, и если есть атома примеси расположен между основной проводящий слой...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design	STM Custom		References 14 и 15
Управляющая электроника для STM	RHK Technology	SPM 1000 Ревизия 7
Синхронный усилитель	Stanford Research Systems	SR830
Трассировщик кривых	Осциллограф Tektronix	Type 576
	Tektronix	TDS360
Мультиметр	Tektronix	DMM912
Устройство для склеивания проволоки	WEST· BOND	7476D	с регулятором температуры K~1200D
Паяльник	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
Material
Pt/Ir провод, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer axt		S-I	Для монтажной микросхемы
99,99% Au проволока, SPM			Для монтажной микросхемы
99,99% Au проволока, диаметр 1 мил	K & S		Для проволочного соединения
Индия дробь	Alfa Aesar	11026
Серебряная эпоксидная смола	Epo-Tek	EJ2189-LV	Любая низкотемпературная совместимая проводящая эпоксидная смола приемлема
HEMT	Fujitsu	Low Noise HEMT