Summary
ספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים סורקות-בדיקה מאפשרת חקר תנועת אלקטרון בודד מתחת לפני הקרקע באזורים מקומיים. מעגל אחראי לזיהוי רגיש הוא שולב מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני לחקור מערכות קטנות של אטומים dopant מתחת לפני השטח של דגימות מוליכים למחצה.
Abstract
שילוב של טכניקות סריקת בדיקה טמפרטורה נמוכה וספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים מייצג כלי רב עוצמה כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של קוונטי מערכות קטנות - כולל dopants האטומי הבודדים במוליכים למחצה. כאן אנו מציגים שיטה המבוססת על קיבול, המכונה חיוב צבירה (SCA) הדמיה מתחת לפני קרקע, שהוא מסוגל לפתור טעינה בודדות, תוך השגת אלקטרונים ברזולוציה מרחבית מספיקה כדי dopants האטומי הבודדים תמונה. השימוש בטכניקה מאפשרת תצפית קיבול של תכונות מתחת לפני הקרקע, כגון dopants קבור ננומטרים רבים מתחת לפני השטח של חומר מוליך למחצה 1,2,3. באופן עקרוני, בטכניקה זו יכולה להיות מיושמת על כל מערכת כדי לפתור את תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח מבודד.
כמו בטכניקות סרוקה-בדיקה חשמלית תחום רגיש אחרות 4, ברזולוציה מרחבית לרוחב של המדידה תלויה בחלקה ברדיוס של curvaturדואר של הקצה החללית. בעזרת טיפים עם רדיוס קטן של עקמומיות יכולה לאפשר רזולוציה מרחבית של כמה עשרות ננומטרים. רזולוציה המרחבית בסדר זה מאפשרת חקירות של מספרים קטנים (עד אחד) של 1,2 dopants מתחת לפני הקרקע. הרזולוציה תשלום תלויה במידה רבה ברגישות של מעגלי גילוי המטען; באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT) במעגלים כאלה בקירור מאפשר רגישות של כ 0.01 אלקטרונים / הרץ ½ ב 0.3 K 5.
Introduction
צבירת הדמיה חיוב מתחת לפני הקרקע (SCA) היא שיטה בטמפרטורה נמוכה מסוגלות לפתור אירועי טעינה בודדות אלקטרונים. כאשר פנה למחקר של אטומים dopant במוליכים למחצה, השיטה יכולה לזהות אלקטרונים בודדים הנכנסים לאטומים תורמים או acceptor, המתיר אפיון של המבנה הקוונטי של מערכות הזעירות אלה. בלב שלה, SCA הדמיה היא מדידת קיבול מקומית 6 מתאימה היטב למבצע קריוגני. בגלל קיבול מבוסס על שדה חשמלי, זה השפעה לטווח ארוך שיכול לפתור טעינה מתחת בידוד משטחים 6. מבצע קריוגני מאפשר חקירה של ריווח רמה הקוונטית תנועה אחת אלקטרון וזה יהיה בלתי פתיר ב1,2 טמפרטורת החדר. הטכניקה יכולה להיות מיושמת על כל מערכת שבה תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח בידוד היא חשובה, ובכלל זה לחייב את הדינמיקה במערכות אלקטרונים דו ממדים בממשקים נקברו 7; לקיצור, ההתמקדות כאן תהיה על לימודים של dopants מוליכים למחצה.
ברמה סכמטית ביותר, טכניקה זו מטפלת בקצה סרוק כצלחת אחת של קבל לוחות מקבילים, אם כי ניתוח ריאליסטי דורש תיאור מפורט יותר כדי להסביר את העקמומיות של הקצה 8,9. הצלחת האחרת בדגם הזה היא אזור הננומטרי של שכבת ניהול הבסיסית, כפי שמוצג באיור 1. בעיקרו של דבר, כתשלום נכנס dopant בתגובה למתח עירור תקופתי, זה מתקרב לקצה; תנועה זו גורמת לתמונה יותר אחראית על הקצה, אשר זוהה עם מעגל החיישן 5. בדומה לכך, כפי שיוצא את החיוב dopant, תשלום על קצה התמונה הוא ירד. לפיכך אות הטעינה התקופתית בתגובה למתח העירור היא האות מזוהות - בעצם זה קיבול, ולכן מדידה זו היא המכונה לעתים קרובות קביעת מאפייני קורות החיים של המערכת.
אוהל "> במהלך מדידת הקיבול, מנהור נטו היחיד הוא בין שכבת הבסיס ושכבת מוליך dopant -. תשלום לעולם מנהרות ישירות על קצה חוסר נהור או מהקצה ישיר במהלך המדידה הוא הבדל חשוב בין זה הטכניקה ומיקרוסקופ מנהור הסורק המוכר יותר, אם כי הרבה יותר של החומרה למערכת זו היא בעצם זהה לזו של מיקרוסקופ מנהור סורק. כמו כן, חשוב לציין כי SCA ההדמיה היא לא ישירות רגישה למטענים סטטיים. לחקירות של מטען סטטי הפצות, מיקרוסקופיית קלווין בדיקה או מיקרוסקופית כוח אלקטרוסטטית מתאימה שיטות קירור נוספות לבחינת התנהגות אלקטרונית מקומית קיימות וגם להם רזולוציה מרחבית טובה ואלקטרונית;. למשל, מיקרוסקופיית אלקטרונים טרנזיסטור יחידה היא שיטה אחר סריקת חללית מסוגלת לאתר דקות טעינה השפעות 4,10. SCA הדמיה הייתה במקורפותח ב-MIT על ידי Tessmer, Glicofridis, אשורית, ועמיתים לעבודה 7 ומעבר לכך, בשיטה המתוארת כאן יכולה להיחשב כגרסת בדיקה סריקה של שיטת ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים שפותחו על ידי אשורית ועמיתים לעבודה 11. אלמנט מרכזי של המדידה הוא מעגל אחראי לזיהוי רגיש להפליא 5,12 באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT), הוא יכול להשיג את רמת רעש נמוך ככל 0.01 אלקטרונים / הרץ ½ ב 0.3 K, טמפרטורת הבסיס של cryostat בהתייחסות 5. כגון רגישות גבוהה מאפשרת תצפית של טעינה בודדת אלקטרונים במערכות מתחת לפני הקרקע. שיטה זו מתאימה למחקר של אלקטרון או חור דינמיקה של קבוצות בודדות או קטנות של dopants במוליכים למחצה, עם צפיפויות אזוריות dopant טיפוסיים על סדר הגודל של 10 15 מ -2 בגיאומטריה של מישור 2. דוגמה לתצורת מדגם אופיינית לסוג זה של ניסוי זה מוצגת באיור 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. פרוטוקול
- הגדרה ראשונית של מיקרוסקופ ואלקטרוניקה
- תתחיל עם מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני שמסוגל להריץ עם אלקטרוניקה שליטה כרוכה בכך. המיקרוסקופים המשמשים למחקר המתואר כאן להשתמש בתרגום אינרציה "ללכת" לקראת המדגם והרחק מהקצה לאורך רמפות 13 (עשוי מחומר ניצוח כגון נחושת, פליז, או נירוסטה כדי לאפשר להם לשדר מתח הטיה ל לדוגמה), כחלק מעיצוב STM Besocke 14, הראה סכמטי באיור 2.
- בנוסף למתח ההטיה וחוטים קואקסיאליים נהור הנוכחיים, לספק לפחות שני חוטים קואקסיאליים אחרים וחוט קרקע שמשתרעים מהמדף לאלקטרוניקה בסמוך לאזור הקצה של מיקרוסקופ כדי להפעיל את מעגל מגבר קריוגני לגילוי מטען רגיש. להרכיב את האלמנטים של מעגל המגבר, שתואר בפירוט בהערות 5, 12, ו -15, שהם שוכנו בדוארlectronics מדף, זה החלק מהמעגל מחוץ לקופסה המוצלת באיור 2. חלק זה של המעגל יישאר בטמפרטורת חדר לאורך כל הניסוי.
- להרכיב את שבב ההרכבה לקצה ולמעגל HEMT (תיבה מוצלת באיור 2); מעגל HEMT תקטן לטמפרטורת קריוגני להשיג רזולוציה אנרגיה אופטימלית.
- קליב שבב מרובע בגודל כ 1 ס"מ על 1 ס"מ מרקיק GaAs באמצעות סופר; מעגל החיישן והקצה יהיה רכוב על השבב הזה. הפקדה כ -100 ננומטר של זהב על גבי שכבת דבק טיטניום דרך shadowmask על שבב GaAs כדי ליצור כמה רפידות זהב, כל אחד בגודל של כ 1 מ"מ x 1 מ"מ, כדי שחוטים מHEMT ונגד הטיית יהיו מלוכדות. הממדים של הרפידות הם לא קריטיים.
- הכן STM קצה חד על ידי חיתוך מכאני Pt 80:20: תיל העיר באמצעות חותכים אלכסוניים. טיפ גם יכול להיות מוכן על ידי כימי התחריט Oשיטת R או אחר ניתן לרכוש באופן מסחרי. לקבוע את רדיוס עקמומיות של הקצה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים; רדיוס עקמומיות צריך להיות על סדר הרזולוציה מרחבית דרושה לניסוי.
- אפוקסי חוטי זהב על גבי כל אחד מרפידות הזהב באמצעות אפוקסי מוליך מסוגל לעמוד בקירור; חוטים אלו יתחברו האלמנטים של המעגל על שבב ההרכבה לחוטים קואקסיאליים במיקרוסקופ. מאז ניתן להסיר את חוטי הזהב בקלות אחרי השלב הבא, אם הם לא נחוצים, אפוקסי כמה חוטי זהב מיותרים על גבי כריות. אפוקסי HEMT, נגד הטיית, וSTM הקצה על גבי GaAs ההרכבה שבב. לרפא אפוקסי כפי שצוין בגיליון המידע על המוצר שלה. (ראה הטבלה של חומרים מתחת לפרטים.)
- שימוש בונדר חוט תיל עמוס זהב, אג"ח המקור, ניקוז, ואלמנטי שער של HEMT להפריד רפידות זהב על שבב GaAs. חוטים זמניים אג"ח המחברים את השער והמקור oרפידות ניקוז R כדי להבטיח את השער אינה הופכת להיות מחויב ביחס לערוץ מקור-טמיון. השתמש ברצועת הארקה לבטיחות נוספת בעת המניפולציה HEMT, חשוב לנקוט באמצעי זהירות כדי למנוע החדרת מטענים סטטיים תועים שעלולות להרוס את HEMT.
- אחסן את שבב ההרכבה המוכן עם החוטים המחוברים לשער ולערוץ מקור-ניקוז של HEMT חשמלי מחובר זה לזה כדי להימנע מקצר HEMT. אם כבר הסירו את החוטים הזמניים שהוזכרו בשלב הקודם, בעדינות לסובב את החוטים יחד. זה הפשוט ביותר כדי לחבר את כל החוטים אחד לשנייה.
- צרף את שבב ההרכבה למיקרוסקופ.
- ודא כי ערוצי השער ומקור ניקוז הם אף פעם לא משתנה, וזאת כדי למנוע קצר הרסני בין השער ומקור-טמיון ערוצי HEMT. להאריק את החוטים קואקסיאליים במיקרוסקופ כדי שהחוטים מהשבב יהיו מולחמים.
- להדביק את השבב על גבי ההרכבה לאהוא סריקת piezotube, כפי שמוצג באיור 2.
- הלחמה חוטי הזהב המשתרעים משבב ההרכבה לחוטים קואקסיאליים הרלוונטיים באמצעות הלחמת אינדיום.
- בדקו את שלמות HEMT באמצעות מעקב עקומה מחובר לחוטים קואקסיאליים במתלת האלקטרוניקה. בעיקרו של דבר, נותב העקומה מציג את המאפיינים נוכחי מתח מקור הניקוז. מצב הכישלון הנפוץ ביותר הוא קצר בין שער HEMT וערוץ מקור-הניקוז שלה, שתוצאתה מאפייני מקור ניקוז שהם רגישים למתח שער.
- הר המדגם. נכנס לטווח עם מיקרוסקופ מוגדר במצב STM על מנת להבטיח כי המדגם יפנה את הקצה בהצלחה.
- חבר T חוט למגבר קדם משמש למדידות זרם STM נהור, ולצרף את מתח DC ההטיה V DC לחוט ב '(כל החיבורים נעשים במתלת האלקטרוניקה.)
- ללכת עד הקצה והמדגם נמצאים בטווח נהור. כאשר בדלקת מפרקים שגרוניתnge, piezotube הסריקה צריכה להישאר הוארך במקצת ממצב שיווי המשקל שלו כך שהארקת piezotube הסריקה תגרום טיפ לחזור מההארכה ב- הטווח שלו. זה מוודא כי המדגם יכול להתקרב לקצה בהצלחה. ללכת מחוץ לטווח אחרי עושה את זה, כדי להגן על הקצה במהלך הפעולות הבאות.
- העבר את המיקרוסקופ מbenchtop המעבדה לדיואר לפעולה בטמפרטורה נמוכה סופו של דבר. בשלב זה, שלב הבדיקות הוא להשלים את השלב הניסיוני יכול להתחיל.
- לשאוב את המיקרוסקופ לואקום של כמה microtorr. לקרר את המיקרוסקופ ל4.2 K או מתחת לרזולוצית אנרגיה אופטימלית, בעקבות ההליך המתואר במדריך לcryostat.
- לאחר קירור מיקרוסקופ לטמפרטורת הבסיס שלה, לאפשר למיקרוסקופ מספיק זמן כדי להגיע לשיווי משקל תרמי; מאז סריקות חוזרות ונשנות, ארוכות של אותו האזור תבוצענה, חשוב למזער את הסחיפה תרמית. (הסחף הואשינוי במצב שיווי המשקל של הקצה ביחס למדגם.)
- להשעות את דיואר לבודד את המיקרוסקופ ככל האפשר מתנודות עקב צימוד מכאני לבניין ולמשאבות ואקום והתקנים אחרים המחוברים למיקרוסקופ ודיואר. ניתן לעשות זאת באמצעות מערכת השעיה כבל באנג'י, כמו בעיון 15, או על ידי שימוש בקפיצי אוויר או בשיטה דומה.
- לאחר הקירור למיקרוסקופ ולפני שאנסה איסוף נתונים, לוודא את תקינות HEMT שוב באמצעות נותב העקום.
- סרוק את המדגם במצב מנהור (STM).
- נכנס לטווח. אתר אזור של שטח המדגם שהוא חופשי מפסולת ומגובה משמעותי או וריאציות מוליכות, ולהבטיח את הקצה הוא יציב.
- נכון לכל הטיה של המדגם, זה חשוב במיוחד משום שסריקות קיבול תבוצענה עם לולאת המשוב מושבתת, ובכך הקצה יכול לקרוס לתוך השטח אם scannמטוס ing אינו מקביל למשטח של המדגם. בעיקרון, ניתן להשתמש באות הקיבול עם משוב כדי לשמור על קיבול קבוע בזמן סריקת הקצה, עם זאת, בפועל, האות היא שלא מספיק חזקה כדי למנוע התרסקות אם נעשה שימוש במשוב.
- שים לב לכל סחיפה תרמית, כך שהוא יכול להיות מתוגמל על ידי למקם מחדש את הקצה לקזז. שים לב לכמות הסיומת של הקצה ואילו בטווח במצב מנהור, המכונה בפרוטוקול זה כנקודת המגע.
- לעבור לאזור שלוות נפש של המדגם, אחד שלא נסרק במצב STM.
- השבת את לולאת המשוב בבקר STM. נזכיר כי כאשר לולאת המשוב מבוטלת, תנועות ידניות של הקצה יכולים בטעות לגרום להתרסקות. יש לנקוט זהירות רבה ולכן תוך כדי תנועת הקצה.
- לחזור בו טיפ כמה עשרות ננומטרים מנקודת המגע.
- לקזז את המצב לרוחב של הקצה לאזור סמוך של המדגם WHIפרק לא נסרק לאחרונה, כדי למנוע כל הפרעות (כגון טעינה של אתרי dopant מוליכים למחצה) מתח ההטיה נדרש כדי לאפשר נהור דרך מדגם מוליכים למחצה עבור סריקת STM יכול להיות המושרית.
- זהירות להאריך את הקצה לכיוון פני השטח עד לעקירה מקצה הרחבה שיווי משקל היא בגודל קרוב לנקודת המגע.
- לעבור תצורת חיווט למצב קיבול.
- לקרקע את כל החוטים קואקסיאליים להגן HEMT.
- לחבר את החוטים קואקסיאליים למקורות המתח ונגדים והרלוונטיים לנעילה ב מגבר והמחולל הפונקציה, כפי שמוצג באיור 2.
- הפעל את כל מקורות המתח. כדי להימנע מלזעזע HEMT, להתחיל עם יציאות מקור מתח על 0 V.
- Unground את החוטים קואקסיאליים, לזכור לשמור על השער וערוץ מקור-ניקוז של HEMT מחובר זה לזה זמן רב ככל האפשר על מנת להגן על HEMT.
- הגדר את vמקור oltage על נגד חלק המתח (החוט ד ').
- לכוון HEMT לאזור רגיש ביותר שלה על ידי ניטור המתח על פני אורך חוט עם מודד תוך התאמת מנגינת V. חבר מחדש L חוט לנעילה ב מגבר אחר כך.
- הגדל את מנגינת V עד האות בשלב בנעילה בעליות מגבר ומתחיל לרמת שיא; ערך זה של מנגינת V, שהוא המתח להחיל את הקצה. זה מאפשר לכל תשלום מהמדידה ללכת לHEMT במקום דולף דרך החוט L.
- לייעל את השלב הפנימי של הנעילה ב מגבר באמצעות יכולת autophase ולהקליט את ערך השלב.
- חכה לHEMT לייצב כדי להבטיח אין תופעות תרמיות משמעותיות (זה לוקח בדרך כלל עד שעתיים).
- לאזן את HEMT ידי התאמת האות על הקבלים סטנדרטי כדי להבטיח שרק האות של עניין הולכת לנעילה ב מגבר. התאמות של האות עלקבלים סטנדרטי ניתן לעשות זאת גם למשרעת של איזון V או לשלב איזון היחסי בין V ועירור V. HEMT נחשב מאוזנת כאשר האות בשלב בנעילה ב מגבר ממוזער בשלב זה של ההליך.
- לבצע הדמיה הצטברות מטען סריקה.
- הגדר את DC ההטיה מתח V DC במדגם.
- להאריך את הקצה עד למרחק של 1 ננומטר של פני השטח, תוך שימוש בנקודת המגע כנקודת התייחסות.
- רשום את הפלט של הנעילה ב מגבר באמצעות תוכנת רכישת נתונים, זה האות של עניין.
- סרוק את המדגם. כדי לקבל רזולוציה טובה, הסריקות ייתכן שתהיינה צורך שנרכשו בשיעור של כמה שעות בסריקה כדי לאפשר מיצוע אות חזק מספיק עבור כל פיקסל וכדי למנוע מריחה של האות על פני פיקסלים סמוכים של התמונה. לבצע מספר סריקות מעל אותו האזור, ואלה ממוצע סריקות יחד כדי לשפר את יחס אות לרעש.
- לבצע קיבול ספקטרוסקופיה (CV) עם הקצה הנייח מעל תכונה מתחת לפני הקרקע של עניין בתמונה הצטברות המטען שנרכשה במהלך השלב הקודם.
- רמפת V DC ולהקליט את הפלט של נעילה ב מגבר באמצעות תוכנת רכישת נתונים.
- קח כמה קיבול לעומת מתח (CV) עקומות באותו המיקום, וממוצע העיקולים האלה יחד כדי לשפר את יחס אות לרעש. בדרך כלל, כמה עקומות יש בממוצע יחד. בעוד עקומות ממוצע משפרת את יחס אות לרעש, בגלל הפוטנציאל לסחיפה במהלך סריקות, רק קומץ של סריקות עוקבות צריך להיות בממוצע יחד.
- לחזור למצב מנהור (STM).
- לחזור בו טיפ להארכת שיווי המשקל שלה ולהגדיר מחדש את האלקטרוניקה לSTM. להפעיל מחדש את לולאת המשוב ולהקליט את ההווה ב- מגוון הרחב של הקצה (נקודת מגע).
- סרוק את האזור במצב נהור לחפש תכונות בחלק העליוןography שאולי נוצר ממצאים בהדמית הקיבול וספקטרוסקופיה קיבול.
- לנתח ולפרש את הנתונים, בעקבות התייחסות 9 ומידע התומך בעיון 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
המדד הראשי של מדידה מוצלחת הוא שחזור, כמה שיותר בשיטות בדיקה סריקה אחרות. מדידות חוזרות הן חשובים מאוד מסיבה זו. לספקטרוסקופיה קיבול הנקודה, במדידות רבות ברציפות באותו המקום עוזרת להגדיל את יחס אות לרעש ולזהות אותות מזויפים.
ברגע שתכונה של עניין זוהתה בתוך תמונת הצטברות המטען וספקטרוסקופיה הקיבול שבוצעה, פרשנות של נתוני קורות החיים מתחילה בקביעת זרוע מנוף המתח. זרוע מנוף המתח הוא גורם קנה המידה הנוגע פוטנציאל הממשי במיקום של dopant ליישומי V DC. זה בעצם מהווה אפס המרחק של הקצה מהשכבה dopant ולכל רוחב קיזוז של dopant מהעמדה ממש מתחת לקצה. זרוע מנוף המתח נמצאת על ידי התאמת פונקציה הלורנצי לקורות חי ספקטרוסקופיה נתונים 1,8 </ Sup>. אם בקנה מידה מתח מוחלט הוא רצוי, פוטנציאל המגע (מתח שבי אין קווי שדה חשמליים מהמדגם לסיים בקצה) צריך להיקבע באמצעות קלווין בדיקה מדידת 1,2,3,7.
איור 3 (א) מראה דוגמה של תמונה עם קורות חיים של הצטברות מטען ספקטרוסקופיה רכשה בנקודה שצוינה. המדגם היה סיליקון, מסוממים עם acceptors ורון עם צפיפות אזוריות של 1.7 x 10 15 מ -2 בשכבת דלתא מסוממת 15 ננומטר מתחת לפני השטח. צבעים בהירים לציין גברת טעינה. נקודתי האור מתפרשים כסימון המיקום של האטומים בורון מתחת לפני הקרקע בודדות. הנקודה הכחולה מציינת נקודת אור מסוימת שבו נקודת קורות החיים ספקטרוסקופיה בוצעה 1, כפי שמוצגת באיור 3 (ב). השיא הגדול ביותר מתפרש לתשלום כניסת dopant ישירות מתחת לקצה. פסגות סמוכות הן בשל dopants הסמוך. המרכזים שלהם השתנו ודה אמפליטודותמקומט ביחס לשיא העיקרי בגלל המרחק המוגבר של dopants אלה מהקצה משנה את הפרמטרים זרוע המנוף שלהם. הפסגות הן הרחיבו לאורך ציר המתח על ידי בעצם ארבעה אפקטים: (1) זרוע המנוף, (2) הרחבת תרמית, (3) את המשרעת של מתח העירור, ו( 4) מסנן התפוקה של נעילה על המגבר. תופעות אלו מטופלות במודל, כפי שמוצג על ידי ההסכם הטוב בין עקומת המודל המעולפת 1 ואת הנתונים.
איור 4 (א) מציג סדרה של פסגות טעינה, בדומה לאיור 3 (ב). במקרה זה, המדגם היה GaAs, מסוממים עם תורמי סיליקון עם צפיפות אזוריות של 1.25 x 10 16 מ '-2 בשכבת דלתא מסוממת 60 ננומטר מתחת לפני השטח. בשל צפיפות dopant הגבוהה, רוב התכונות ספקטרוסקופיות בניסוי זה משקף קבוצות של אלקטרונים רבים. פסגות מזוהות על ידי התאמה; פרשנות של שיא כמו להיות מיוחס לשירLe אלקטרון מגיע מהעקביות שלו בצורה ובגודל בצורה הצפויה של שיא יחיד אלקטרון. קומץ של פסגות יחידה אלקטרונים נפתרו בניסוי זה 2, שאחד מהם מסומן בחץ האדום. איור 4 (ב) ו -4 (ג) דגש על השיא הזה, שמראים שיש לו את צורתו הצפויה ליחיד השפעת אלקטרון. הכושר באיור 4 (ג) הוא חצי אליפסה 16 מפותלות עם פונקציות חשבונאיות בהשפעות שיא ההרחבה-שתוארו לעיל. יש התאמה זו שני פרמטרים חופשיים: מרכז השיא וזרוע המנוף. שלוש עקומות קורות החיים באיור 4 (ב) הן מדידות ספקטרוסקופיה רציפות על אותה התכונה. הסכום של פיזור בנתונים באיור 4 (ב) הוא טיפוסי; ממוצע כמה עקומות יחד, כפי שנעשתה באיור 4 (א), במבנה תוצאות שיא בקלות לזיהוי יותר, ולכן עושה את עקומות קורות חיים מרובות עלאותה תכונה חשובה מאוד לשיפור יחס אות לרעש.
איור 1. סכמטי של דוגמה אופיינית. סכמטי של מדגם טיפוסי לניסויי קיבול יחיד אלקטרונים סורקים-בדיקה. המדגם הוא מוליכים למחצה עם שכבת ניהול בסיסית בעומק ידוע מהמשטח שאליו מתח ההטיה ועירור מוחלים. שכבה דו ממדים של dopants מוטבעת, גם בעומק ידוע מהמשטח. אלקטרונים מנהרה בין השכבה לשכבת ניהול וdopant, שינוי הקיבול של המערכת וגרימת תשלום תמונה בקצה הנמדד על ידי מנגנון תשלום רגיש. מתח הטיה מספיק גבוה יאפשר לאלקטרוני מנהרה בין שכבת dopant ומצב פני השטח, כמו גם, הדוארnabling זיהוי שלהם על פני השטח על ידי STM.
איור 2. סכמטי של מיקרוסקופ וחישת טעינת מכשיר. שרטוט של מעגל חשמלי למגבר המתואר בהתייחסות 5 ועל סמך עיון 12. שבב הרכבה מופיע במקום בסכמטי של מיקרוסקופ סריקת בדיקה 14 Besocke עיצוב עם רמפות 13 ו מדגם (שלא בקנה מידה). חוט B מספק את מתח ההטיה המדגם, כולל מתח עירור AC משמש להסית נהור ומן dopants מתחת לפני הקרקע. חוט C מחובר לקבלים והסטנדרטיים מקור מתח AC מתכונן המאפשר איזון HEMT. חוט L מתחבר לנעילה ב מגבר שממנו אות הקיבול היא רשמה, וחוט D מתחבר למקור מתח דרך התנגדות ליצור AVמחיצת oltage; התפוקה של חלק המתח היא האות שנשלחה לנעילה ב מגבר. במהלך מדידות קיבול, חוט T מחובר למקור מתח מתכוונן דרך נגד גדול כדי למנוע תשלום AC על הקצה מ דולף במורד מסלול זה. במינהור (STM) מצב, חוט T הופך את החוט הנוכחי נהור (עם מקור המתח שלו מנותק), חוט B נשאר מחובר למקור מתח DC, וכל החוטים האחרים מקורקעים. בחירה טיפוסית להתנגדות חלק המתח על החוט D היא עם מתח בחוט של 1.25 ד 'ו' הבחירה של קיבול סטנדרטי צריכה לנטרל את הקיבול ההדדי קצה מדגם הרקע, המהווה כ 20 FF 100 kΩ. נגד הטיית על T התיל צריך להיות בשכונה של 20 MΩ. בחירות אלה במטרה לכוון את ההתנגדות של ערוץ מקור-טמיון HEMT למשטר רגיש ביותר שלה.
"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
איור 3. SCA תמונה וקורות החיים בספקטרוסקופיה Acceptor המסומם סי (א) תמונת הצטברות מטען סריקה של מדגם סיליקון מסומם עם שכבה של acceptors ורון של צפיפות אזוריות 1.7 X 10 15 15 ננומטר ממוקם -2 מ 'מתחת לפני השטח 1;. V DC = 75 mV, V = 3.7 mV עירור; הטמפרטורה היה 4.2 ק '(ב) קורות החיים ספקטרוסקופיה נרכשה בנקודה ב( א) מצויינים על ידי הנקודה הכחולה. להתמקד במבנה השיא, קו רקע היה נגרע. קנה המידה המתח כבר עבר כך שאפס הוא המרכז הגדול ביותר השיא; שכן אין מדידת הבדיקה קלווין נעשתה במהלך ניסוי זה על מנת לקבוע את קנה המידה המתח המוחלט, בקיזוז הזה הוא עניין של נוחות.
load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
איור 4. . ניתוח קורות החיים ספקטרוסקופיה בתורם מסוממים GaAs (א) קורות החיים ספקטרוסקופיה נרכשה על GaAs, מסומם עם שכבה של סיליקון תורמים של צפיפות אזוריות 1.25 x 10 16 מ -2 ממוקמים 60 ננומטר מתחת לפני השטח 2; עירור V = 15 mV; הטמפרטורה הייתה 0.3 ק 'החץ האדום מסמן שיא נוסף שנחקר (ב) מדידות מפורטות יותר בודדות CV ספקטרוסקופיה של השיא שצוין ב( א) עם המתח התרכז בשיא;.. V עירור = 3.8 mV (ג) הנתונים בממוצע של עקומות מספר שמוצג ב( ב). בכושר, שמוצג בירוק, חשבונות לארבע תופעות המרחיבות שיא: זרוע המנוף, תרמית הרחבה, את המשרעת של מתח העירור, ומסנן התפוקה של נעילה על המגבר. ב( ב) ו (ג) ב( א), את ההמרה לערך קיבול דרך C = עירור טיפ / V ΔQ לא נעשתה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הסבר מפורט של הבסיס התיאורטי לשיטה ניסיונית זו ניתן בהפניות 8 ו -9 ודן ביחס לתרחיש של dopants מתחת לפני הקרקע בעיון 2; הסקירה המובאת כאן על כן תהיה קצרה ורעיונית. הקצה הוא כאל צלחת אחת קבלים, ואת שכבת ניהול שבבסיס המדגם כולל את הצלחת האחרת. אם מתח DC מוחל כאלה שהאלקטרונים נמשכים לכיוון הקצה, ואם יש אטום dopant ממוקם בין השכבה הבסיסית ניצוח וטיפ שיכול להכיל תשלום נוסף, ואז האלקטרון ייכנס dopant ומכאן להתקרב אל טיפ. מאלקטרוסטטיקה, התנועה של אלקטרונים זה חייבת לגרום לתשלום תמונה של השלט ההפוך על הקצה. מתח עירור סינוסי (עירור V) שסכם למתח DC יגרום לאלקטרונים להדהד בין שכבת המצע וdopant. בתורו, את התמונה גובה wחולה גם להדהד, נותן אות AC שהוא זוהה על ידי מעגלי תשלום הגילוי הרגישים ניצול HEMT ומוגברות יותר עם הנעילה ב מגבר. אות טעינה אז זה יכול להיות מומר לקיבול.
המצב השכיח ביותר לכישלון ניסוי זה כרוך בניזק למעגל HEMT המאפשר גילוי המטען רגיש. מאז שער HEMT הוא כל כך קטן, גם הצטברות מטען סטטי קטנה יכולה לגרום לכשל של HEMT, בדרך כלל בצורה של קצר בין ערוץ מקור-טמיון ואת השער. אם HEMT הוא לקצר, מדידת הקיבול יחידה האלקטרונים אינם יכולה להמשיך בלי להחליף אותו. מאז כמות ניכרת של זמן, בדרך כלל הוא בילה בהכנת הניסוי, בעיקר בהרגעות מיקרוסקופ לטמפרטורת הבסיס שלה, המשמש לHEMTs ניסויים אלה צריכים להיות מוגן על ידי הבטחה כי ערוצי השער ומקור ניקוז הם אף פעם לא משתנה, בין אם על ידי חיבור אלה מובילים לזה (when עובד עם חוטי הזהב הקטנים על גבי שבב) או על ידי הארקתם (בעת עבודה עם חיבורי חוטים קואקסיאליים). ניתן לנקוט באמצעי זהירות נוסף על ידי לבישת רצועת הארקה בזמן טיפול שבב ההרכבה או חומרת מיקרוסקופ, במיוחד במזג האוויר יבש, כמו מטען סטטי אפילו קל מאדם של הנסיין יכול להרוס HEMT או על ידי על הסף מקצר את זה או על ידי גורם לו מלכודת חיובים בצורה כזאת, כי זה אף פעם לא מתייצב לגמרי. במקרה של ספק לגבי בריאותו של HEMT, יש להשתמש בתכנית מעקב עקומה לחפש את הווריאציות הצפויות במאפייני מקור הניקוז עם מתח שער יישומי (המכונה לעתים קרובות "אוהד").
הממדים של רפידות הזהב על שבב ההרכבה אינם בעל חשיבות רבה, ובלבד שהם גדולים מספיק כדי לאפשר מליטה חוט מוצלחת, עדיין קטנים בהרבה ממילימטר, כדי למנוע צימוד קיבול עודף למעגל. לפני הצמדת HEMT או עצה, זה עשוי להיות שימושי כדי לעשות elsew אג"ח מבחןכאן על שבב ההרכבה לבדוק כמה טוב יכולה להיות צפויה מליטה לעבוד על השבב. כולל כמה רפידות זהב נוספות על שבב ההרכבה יכול להיות שימושית גם במקרה חלק מהשבב הוא נוח יותר למליטה מאזורים אחרים על גבי שבב. אם התהליך המליטה נראה מושך דוגמיות של זהב משל הכרית, שבב GaAs אולי לא היה מספיק נקי לפני שכבות המתכת הונחו או הזהב עשוי התדרדר עם גיל. הקטנת כוח קולי בשימוש בחוט ונדר עשויה להיות מועילה במקרה הזה.
אינדיום הלחמה משמשת לצרף את מוביל הזהב לחוטים קואקסיאליים בגלל התכונות הטובות שלו בקירור. באופן דומה, GaAs משמש כחומר להרכבת השבב כדי למנוע גרימת מתח-מושרה התכווצות התרמית בHEMT, אשר עצמו מפוברק על מצע GaAs. מאז GaAs הוא חומר פיזואלקטריים, לחץ מכאני על פני המצע יכול לגרום לכשל של קצר וכתוצאה מכךHEMT.
למוליכים למחצה המשמשים בניסויים בהפניות 1 ו -2, מדגם השטח יכול להיות צילמו באמצעות מערכת כSTM. כלומר, אלקטרונים יכולים אכן מנהרה ישירות על גבי הקצה כאשר המנגנון היה מוגדר במצב STM. זה מאוד שימושי כפי שהוא מספק דרך להביא את הקצה הקרוב לדגימה בלי להתרסק הקצה אל פני השטח. יש צורך במתח הטיה על מנת של מעטים לכמה וולט להקים נוכחי נהור יציב. עם מתח הטיה גבוה מספיק, תשלום נוסף שמשך מהשכבה ניהול הבסיסית על פני אזורי הבידוד של המדגם כדי ליצור שלולית ביצוע תשלום בשטח; שלולית זה יעברו את הקצה כקצה נסרק. לפיכך פני השטח יכול להיות צילמו בדיוק כמו בSTM הסטנדרטי. נהור מצב יכול לגרום לניזק למדידות אלקטרוני שלאחר מכן. לדוגמה, קיים פוטנציאל למדגם להיות מושפע ממתח ההטיה גדול הנדרש למינרלוגיהGE טעינה חולפת מוליכים למחצה מדגם במצב מנהור, ואולי גרימת קרוב לפני שטח של פגמים. כדי לפתור את זה, אפשר להסיר את המתח הגדול ולקזז את הטיפ לאזור כמה מאה ננומטרים משם (בדרך כלל ללא שימוש במשוב), כפי שתואר בפרוטוקול. לחלופין, את נוכחותו של נזק למדגם יכולה להיות מזוהות על ידי ביצוע קורות החיים ספקטרוסקופיה או על ידי עושה קלווין בדיקה מדידת 2.
הגיאומטריה של הניסוי מרמזת מאפיינים מסוימים צריכים להיות מכוונים בפיתוח של המדגם. לוקליזציה של שכבת dopant לאורך בכיוון של מנהור היא חשובה, כמו שכבה עבה מדי dopant תוסיף עמימות להגדרה של זרוע המנוף. במילים אחרות, בעובי של שכבת dopant צריך להיות קרוב ככל האפשר למטוס אטומי אחת. הסדר זה מכונה "סימום דלתא". לדוגמה, בניסוי בעיון 1, שכבת dopant הייתה כ 2 nanomאטות העבה.
סריקות הדמיה הצטברות מטען מוצלחות שנעשו כדי לאתר תכונות קיבולי של עניין יכולות לקחת כמות ניכרת של זמן, לפעמים על הסדר של מספר שעות. בכל קשור למהירות סריקה, כל פיקסל של התמונה צריך לקחת כמות הזמן דומה לכמה תקופות של עירור V, ומסנן התפוקה של הנעילה ב מגבר צריכה להיות מוגדר כ אותו הערך כמו פעם לכל פיקסל. הסחף במיקרוסקופ שלא היה מורגש במהלך סריקת STM כמה דקות יכול לתרום למריחה של תמונות הצטברות המטען באופן משמעותי, ארוך משך.
אותו הקצה המשמש לנהור ולניסויי קיבול יהיה צורה יעילה שונה בשל תלות המרחק של מנגנוני מדידת בהתאמה. מאז נהור הוא אקספוננציאלית תלויה מרחק, לקירוב טוב, ורק קצה אטום אחת יקבל רוב הנוכחי. ומכאן הצורת דואר של הקצה בקנה המידה ננומטרי היא בעיקר לא רלוונטית, כל עוד השיא הוא יציב באופן מכאני. בSCA הדמיה, לעומת זאת, זיהה את המטען בקצה בשל קיבול; באופן כללי, זה עומד ביחס הפוך למרחק ומנות גבוהות יותר של הקצה אכן יכול לקבל חלק משמעותי של האות. משמעות דבר היא הרדיוס בקנה מידה ננומטרי של עקמומיות של הקצה רלוונטי לטכניקות מדידת קיבול. על מנת למקסם את המשרעת של האות מבלי להתפשר על רזולוציה מרחבית, רדיוס עצה צריך להיות שווה בערך לעומק של שכבת dopant מתחת לפני השטח 8,9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
המחקר שנדון כאן נתמכה על ידי המכון באוניברסיטת מדינת מישיגן למדעי קוונטים והקרן הלאומי למדע DMR-0305461, DMR-0906939, וDMR-0,605,801. KW מודה תמיכה ממחלקה לחינוך אחוות GAANN הבינתחומי הביו תכנית הכשרה בארה"ב.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Besocke-design STM | Custom | References 14 and 15 | |
| Control electronics for STM | RHK Technology | SPM 1000 Revision 7 | |
| Lock-in amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
| Curve tracer | Tektronix | Type 576 | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS360 | |
| Multimeter | Tektronix | DMM912 | |
| Wire bonder | WEST·BOND | 7476D | with K~1200D temperature controller |
| Soldering iron | MPJA | 301-A | |
| Cryostat | Oxford Instruments | Heliox | |
| Material | |||
| Pt/Ir wire, 80:20 | nanoScience Instruments | 201100 | |
| GaAs wafer | axt | S-I | For the mounting chip |
| 99.99% Au wire, 2 mil diameter | SPM | For the mounting chip | |
| 99.99% Au wire, 1 mil diameter | K&S | For wire bonding | |
| Indium shot | Alfa Aesar | 11026 | |
| Silver epoxy | Epo-Tek | EJ2189-LV | Any low-temperature-compatible conductive epoxy is acceptable |
| HEMT | Fujitsu | Low Noise HEMT | |
References
- 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. Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules. Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules. Physica B. 403, 3774-3780 (2008).
- Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges. Science. 276, 579-582 (1997).
- Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).
- Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale. Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).
- Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid. Nature. 392, 51-54 (1998).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes. Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).
- Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape. Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).
- Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).
- Ashoori, R. C.
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box. Physica B. 189, 117-124 (1993).
- Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope. Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).
- Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).
- Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. High-scan-range cryogenic scanning probe microscope. Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels. Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).
