Summary
Espectroscopia de capacitância de um único elétron-sonda de digitalização facilita o estudo do movimento de um único elétron em regiões subterrâneas localizadas. Um circuito de detecção de carga sensível é incorporado numa sonda de digitalização criogénico microscópio para investigar pequenos sistemas de átomos dopantes sob a superfície das amostras de semicondutores.
Abstract
A integração de técnicas de varredura por sonda de baixa temperatura e espectroscopia de capacitância de um único elétron representa uma ferramenta poderosa para estudar a estrutura quântica electrónica de pequenos sistemas - incluindo dopantes atômicas individuais em semicondutores. Aqui apresentamos um método baseado em capacitância, conhecido como Subsurface carga Acumulação (SCA) de imagem, que é capaz de resolver a carga de um único elétron ao conseguir a resolução espacial suficiente para imagem dopantes atômicas individuais. A utilização de uma técnica de capacitância permite a observação das características do subsolo, como contaminantes enterrados muitos nanómetros sob a superfície de um material semicondutor 1,2,3. Em princípio, esta técnica pode ser aplicada a qualquer sistema para resolver o movimento de electrões a seguir uma superfície isolante.
Tal como em outras técnicas de sonda de campo eléctrico digitalizada sensíveis 4, a resolução espacial lateral da medição depende, em parte, o raio de curvature da ponta da sonda. Utilizando pontas com um pequeno raio de curvatura pode permitir a resolução espacial de umas poucas dezenas de nanómetros. Esta resolução espacial fina permite investigações de números pequenos (até um) de dopantes subsuperfície 1,2. A resolução da carga depende muito da sensibilidade do circuito de detecção de carga, utilizando transistores de electrões de alta mobilidade (HEMT) em tais circuitos, a temperaturas criogénicas permite uma sensibilidade de cerca de 0,01 Hz / electrões ½ a 0,3 K 5.
Introduction
Acumulação de imagem de carga subsuperfície (SCA) é um método de baixa temperatura capaz de resolver os eventos de carga de um único elétron. Quando aplicada ao estudo de átomos dopantes em semicondutores, o método pode detectar electrões individuais entram átomos doadores ou aceitador, o que permite a caracterização da estrutura quântica destes sistemas minutos. Na sua essência, SCA de imagem é um local de medição de capacitância 6 adequado para operação criogênica. Porque capacitância é baseado no campo elétrico, é um efeito de longo alcance que pode resolver o carregamento sob isolamento superfícies 6. Operação criogênica permite a investigação de movimento de um único elétron e espaçamento nível quântico que seria insolúvel à temperatura ambiente 1,2. A técnica pode ser aplicada a qualquer sistema em que o movimento de electrões a seguir uma superfície de isolamento é importante, incluindo as dinâmicas de carga em sistemas de electrões bidimensionais nas interfaces enterrados 7, por brevidade, o foco aqui será em estudos de dopantes semicondutores.
No nível mais esquemática, esta técnica trata a ponta digitalizada como uma placa de um condensador de placas paralelas, embora a análise realista requer uma descrição mais detalhada para a conta para a curvatura da ponta 8,9. A outra placa neste modelo é uma região nanoescala da camada condutora subjacente, conforme mostrado na Figura 1. Essencialmente, tal como uma carga de entrada de um contaminante em resposta a uma tensão de excitação periódica, que fica mais perto da ponta, o que induz o movimento da imagem mais carga na ponta, que é detectada com um circuito de sensor 5. Da mesma forma, como a carga sai do dopante, a carga na ponta da imagem é reduzida. Assim, o sinal periódico de carga em resposta à tensão de excitação é o sinal detectado - essencialmente é a capacitância, assim esta medição é frequentemente referida como a determinação das características do sistema de CV.
tenda "> Durante a medição de capacitância, o túnel só net é entre a camada condutora subjacente ea camada dopante -. taxa nunca túneis diretamente na ponta A falta de tunelamento ou da ponta direta durante a medição é uma importante diferença entre esta técnica e da microscopia de tunelamento mais familiar, embora a maior parte do hardware para este sistema é essencialmente idêntico ao de um microscópio de varredura por tunelamento. Também é importante notar que a SCA de imagem não é diretamente sensível a cargas estáticas. Para investigações de carga estática distribuições, Kelvin sonda de microscopia ou microscopia de força eletrostática digitalização é apropriado métodos criogênicos adicionais para examinar o comportamento eletrônico locais existem que também têm boa resolução eletrônica e espacial;., por exemplo, microscopia transistor único eletrônica de varredura é um outro método de varredura por sonda capaz de detectar minutos de carga efeitos 4,10. SCA imagem foi originalmentedesenvolvido no MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, e co-trabalhadores 7, além disso, o método descrito aqui pode ser considerado como uma versão do método de espectroscopia de capacitância Single-Electron desenvolvido por Ashoori e colaboradores 11 sonda de varredura. Um elemento-chave da medição é um circuito de detecção de carga extremamente sensível 5,12 usando transistores de elétrons de alta mobilidade (HEMT), que pode atingir um nível de ruído tão baixo quanto 0,01 elétrons / Hz ½ de 0,3 K, a temperatura da base do criostato em 5 de Referência. Essa alta sensibilidade permite a observação de carga de um único elétron em sistemas subsuperficiais. Este método é adequado para o estudo da dinâmica de elétrons ou de buracos individuais ou pequenos grupos de dopantes em semicondutores, com densidades de área dopantes típicos da ordem de 10 15 m -2 em uma geometria plana 2. Um exemplo de uma configuração de exemplo típico para este tipo de experiência é apresentado na Figura 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOLO
- A configuração inicial do microscópio e eletrônica
- Comece com uma criogênico com capacidade de microscópio de varredura por sonda com sistema eletrônico de controle associados. Os microscópios usados para a pesquisa aqui descritos utilizam tradução inercial para "caminhar" a amostra em direcção e para longe da ponta ao longo de rampas 13 (feitos de um material condutor tal como cobre, latão, aço inoxidável ou, para permitir que eles transmitem para a tensão de polarização amostra) como parte de um desenho STM Besocke 14, esquematicamente mostrado na Figura 2.
- Em adição à tensão de polarização e de encapsulamento actuais cabos coaxiais, proporcionar, pelo menos, dois outros cabos coaxiais e um fio de terra, que se estendem a partir da prateleira electrónica para perto da zona da ponta do microscópio a fim de activar o circuito amplificador criogénico para a detecção de carga sensível. Montar os elementos do circuito de amplificação, descrito em pormenor nas Referências 5, 12 e 15, que estão alojados no eLECTRONICS cremalheira, o que representa a porção do circuito fora da caixa a sombreado na Figura 2. Esta parte do circuito irá permanecer à temperatura ambiente durante todo o experimento.
- Montar o chip de montagem para a ponta e o circuito HEMT (caixa a sombreado na figura 2), o circuito HEMT será reduzido até à temperatura criogénica para obter resolução de energia óptima.
- Cleave um chip quadrado avaliou aproximadamente 1 cm x 1 cm de um wafer GaAs usando um escriba; circuito do sensor e ponta será montado neste chip. Depósito de aproximadamente 100 nm de ouro sobre uma camada de titânio que adere através de uma máscara perfurada para o chip de GaAs para formar várias bases de ouro, cada um de tamanho aproximadamente 1 mm x 1 mm, destinadas a que os fios a partir da resistência de polarização HEMT e serão coladas. As dimensões das pastilhas não são críticas.
- Prepare uma ponta do STM afiada cortando mecanicamente um 80:20 Pt: Fio Ir usando cortadores diagonais. A ponta também pode ser preparado por ataque químico or outro método, ou pode ser adquirido comercialmente. Determinar o raio de curvatura da ponta através de microscopia electrónica de varrimento, o raio de curvatura deve ser da ordem da resolução espacial necessária para o experimento.
- Epóxi de um fio de ouro em cada uma das almofadas de ouro utilizando epóxi condutora capaz de resistir a temperaturas criogénicas, estes fios vai ligar os elementos do circuito do chip para a montagem dos cabos coaxiais no microscópio. Uma vez que os fios de ouro pode ser facilmente removido após o próximo passo, se não forem necessários, epóxi alguns fios de ouro redundantes para as almofadas. Epoxi a HEMT, a resistência de polarização, e a ponta do STM para os GaAs montagem chip. Cure o epóxi, conforme indicado na sua folha de informação do produto. (Veja a tabela de materiais abaixo para detalhes).
- Usando um fio Bonder carregado com fios de ouro, ligação a fonte, dreno, e elementos Portão do HEMT para separar bases de ouro no chip GaAs. Obrigações fios temporários conectando a porta e fonte or almofadas de drenagem para assegurar o portão não se torna carregada em relação ao canal de dreno-fonte. Use uma pulseira de aterramento para maior segurança ao manipular o HEMT, é importante tomar precauções para evitar a introdução de cargas estáticas vadios que poderiam destruir o HEMT.
- Armazenar o chip montagem preparada com os fios ligados à porta e para o canal de dreno-fonte do HEMT ligados electricamente uns aos outros para evitar o curto-circuito HEMT. Se os fios temporários mencionadas no passo anterior foram removidos, girar cuidadosamente os fios juntos. É simples de ligar todos os fios a um outro.
- Ligue o chip de montagem ao microscópio.
- Certifique-se de que os canais de gate e fonte-dreno nunca são flutuantes, o que é para evitar calções destrutivas entre os canais do HEMT gate e fonte-dreno. Os fios de ligação à terra coaxial no microscópio para que os fios da ficha será soldada.
- Apor o chip de montagem em cima de tele piezotube digitalização, conforme mostrado na Figura 2.
- Solda os fios de ouro que se prolongam a partir do chip de montagem para os cabos coaxiais pertinentes utilizando índio solda.
- Verificar a integridade do HEMT usando um marcador curva ligada aos cabos coaxiais na prateleira electrónica. Essencialmente, o tracer curva mostra a fonte de fuga de tensão características atuais. O modo mais comum de falha é um curto-circuito entre o portão HEMT e seu canal dreno-fonte, o que resulta em características de fonte-dreno, que são insensíveis à tensão da porta.
- Monte a amostra. Andar em série com o microscópio no modo de STM configurada para assegurar que a amostra irá abordar com sucesso da ponta.
- Conecte o fio T para o pré-amplificador usado para medições de corrente de tunelamento STM, e anexar DC viés tensão V DC a fio B. (Todas as ligações são feitas no rack de eletrônica.)
- Caminhe até que a amostra ea ponta estão na faixa de tunelamento. Quando, em raESL, o piezotube varredura deve permanecer ligeiramente alargado a partir de sua posição de equilíbrio para que o aterramento do piezotube digitalização fará com que a ponta para retirar de sua extensão no alcance. Isto verifica-se que a amostra pode aproximar-se com sucesso a ponta. Andar fora da faixa depois de fazer isso, para proteger a ponta durante as próximas ações.
- Transferir o microscópio da bancada de laboratório para o Dewar de funcionamento de baixa temperatura final. Neste ponto, a fase de testes é completa e a fase experimental, pode começar.
- Bombeia o microscópio para um vácuo de alguns microtorr. Resfriar o microscópio para 4,2 K ou abaixo para a resolução de energia ideal, seguindo o procedimento descrito no manual para o criostato.
- Depois de arrefecer o microscópio para a sua temperatura de base, permitir que o tempo suficiente para atingir o equilíbrio microscópio térmico; utilizadas, desde longos scans da mesma área será executada, é importante minimizar o desvio térmico. (Tração éuma mudança na posição de equilíbrio da ponta em relação à amostra.)
- Suspender o Dewar para isolar o microscópio, tanto quanto possível através de vibrações, devido ao acoplamento mecânico para a construção e para as bombas de vácuo e de outros dispositivos ligados ao microscópio e Dewar. Isto pode ser feito usando um sistema de suspensão de corda elástica, tal como na referência 15, ou usando fontes de ar ou um método semelhante.
- Depois de arrefecer o microscópio e antes de tentar a recolha de dados, verificar a integridade da HEMT novamente usando a curva de traçador.
- Digitalizar o exemplo no modo de tunelamento (STM).
- Ande em alcance. Localize uma região da superfície da amostra, que é livre de detritos e de altura substancial ou variações de condutividade, e garantir a dica é estável.
- Corrigir qualquer inclinação da amostra, isto é especialmente importante porque a capacitância verificações vai ser realizada com o loop de feedback desactivado, pelo que a ponta pode colidir com a superfície, se a espiaing plano não é paralela à superfície da amostra. Em princípio, pode-se utilizar o sinal de capacidade com realimentação para manter uma capacidade constante durante a digitalização da ponta, no entanto, na prática, o sinal não é suficientemente robusto para impedir uma falha se o feedback é usado.
- Observar qualquer desvio térmico de modo que pode ser compensada pelo reposicionamento deslocamento da ponta. Observe a quantidade de extensão da ponta, enquanto na faixa no modo de tunelamento, referido no presente protocolo como o ponto de contato.
- Mover a uma área imperturbável da amostra, uma que não foi digitalizada no modo de STM.
- Desativar o ciclo de feedback no controlador STM. Lembre-se que quando o feedback é desativada, os movimentos da ponta manuais pode inadvertidamente causar um acidente. Grande cuidado deve ser tomado ao se mover a ponta.
- Retrair a ponta de algumas dezenas de nanômetros a partir do ponto de contato.
- Compensar a posição lateral da ponta de uma área próxima da amostra which não foi recentemente verificado, a fim de evitar quaisquer perturbações (tais como o carregamento de sítios dopantes semicondutores) a tensão de polarização necessária para permitir um túnel através da amostra semicondutora para digitalização STM pode ter induzido.
- Cautelosamente estender a ponta em direção à superfície até o deslocamento da ponta de extensão equilíbrio está perto em magnitude ao ponto de toque.
- Mudar para o modo de configuração de fiação capacitância.
- Todos os fios de ligação à terra coaxial para proteger o HEMT.
- Ligar os cabos coaxiais para as fontes e resistências de tensão e relevantes para o amplificador lock-in e o gerador de função, conforme mostrado na Figura 2.
- Ligue todas as fontes de tensão. Para evitar chocar o HEMT, comece com saídas de fonte de tensão em 0 V.
- Não moídos os cabos coaxiais, lembrando-se para manter a porta, e o canal de dreno-fonte do HEMT ligados uns aos outros, desde que possível, a fim de proteger o HEMT.
- Defina o vfonte ensão sobre o resistor divisor de tensão (fio D).
- Sintonize o HEMT para sua região mais sensível, monitorando a tensão do fio L com um multímetro enquanto ajusta V sintonia. Recoloque fio L ao amplificador lock-in depois.
- Aumentar V sintonia até que o sinal em fase no bloqueio em aumentos de amplificador e começa a estabilizar; ficha esse valor de sintonia V, que é a tensão aplicada à ponta. Isso permite que toda a carga a partir da medição de ir ao HEMT em vez de vazar através do fio L.
- Otimizar a fase interna do amplificador lock-in usando sua habilidade autophase e recorde o valor de fase.
- Aguarde o HEMT para estabilizar a garantir que não haja efeitos térmicos significativos (isso muitas vezes leva até duas horas).
- Equilibre a HEMT ajustando o sinal no padrão do capacitor para assegurar que apenas o sinal de interesse vai ao amplificador lock-in. Ajustes do sinal nocapacitor padrão pode ser feito tanto com a amplitude do equilíbrio V ou para a fase relativa entre V e V, equilíbrio de excitação. O HEMT é considerada equilibrada quando o sinal de fase in no amplificador lock-in é minimizada nesta etapa do processo.
- Realizar a digitalização de imagens de acumulação de carga.
- Defina o DC viés tensão V DC na amostra.
- Estenda a ponta para dentro de um nm da superfície, usando o ponto de contato como referência.
- Gravar a saída do amplificador lock-in usando o software de aquisição de dados, este é o sinal de interesse.
- Digitalização da amostra. Para obter uma boa resolução, os scans podem precisar de ser adquiridos a uma taxa de várias horas por digitalização para permitir média do sinal suficiente para cada pixel e para evitar manchas do sinal entre os pixels adjacentes da imagem. Realizar vários exames sobre a mesma área, e estas média verifica em conjunto para melhorar a relação sinal-ruído.
- Realizar espectroscopia de capacitância (CV) com a ponta estacionário acima de um recurso do subsolo de interesse na imagem de acumulação de carga adquirida durante a etapa anterior.
- Rampa V DC e gravar a saída do amplificador lock-in usando o software de aquisição de dados.
- Levar vários (CV) curvas de capacitância versus tensão no mesmo local, ea média dessas curvas em conjunto para melhorar a relação sinal-ruído. Tipicamente, algumas curvas são calculados em conjunto. Enquanto as curvas média melhora a relação sinal-ruído, por causa do potencial de deriva durante as varreduras, apenas um punhado de exames sucessivos deve ser calculada a média juntos.
- Retornar ao modo de tunelamento (STM).
- Retrair a ponta de sua extensão equilíbrio e reconfigurar o sistema eletrônico para STM. Reativar o ciclo de feedback e registrar o presente na gama extensão da ponta (ponto de contato).
- Digitalizar a área em modo de tunelamento para procurar recursos no topografia que pode ter gerado artefatos na imagem capacitância e espectroscopia de capacitância.
- Analisar e interpretar dados, seguindo Referência 9 e as informações de suporte na Referência 1.
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Representative Results
O principal indicador de uma medida de sucesso é a reprodutibilidade, bem como em outros métodos de varredura por sonda. Medições repetidas são muito importantes por essa razão. Por espectroscopia de capacitância ponto, tendo muitas medições em sucessão no mesmo local ajuda a aumentar a relação sinal-ruído e identificar sinais espúrios.
Uma vez que uma característica de interesse tiver sido identificado dentro da imagem de acumulação de carga e espectroscopia de capacitância foi executada, a interpretação dos dados CV começa por determinar o braço de alavanca de tensão. O braço de alavanca de tensão é o factor de escala relativa o potencial real no local do contaminante a ser aplicado V DC. É responsável pela distância essencialmente zero da ponta da camada de contaminante e para qualquer deslocamento do contaminante a partir da posição directamente abaixo da ponta lateral. O braço de alavanca de tensão encontra-se ajustando uma função Lorentziana à espectroscopia de dados CV 1,8 </ Sup>. Se uma escala absoluta tensão é desejado, o potencial de contato (tensão em que há linhas de campo elétrico a partir da amostra de terminar na ponta) deve ser determinada por meio de uma sonda Kelvin medição 1,2,3,7.
A Figura 3 (a) mostra um exemplo de uma imagem de acumulação de carga com a espectroscopia de CV adquiridos no ponto indicado de. A amostra foi de silício dopado com boro, com um receptores de densidade superficial de 1,7 x 10 15 m-2 com uma camada de delta-dopado com 15 nm ou mais abaixo da superfície. Cores mais brilhantes indicam aumento de carga. Os pontos brilhantes são interpretados como marcação da localização dos átomos de boro subsuperfície individuais. O ponto azul indica um ponto brilhante em particular onde o ponto de CV foi realizada espectroscopia de 1, conforme mostrado na Figura 3 (b). O maior pico é interpretado para ser encarregado de entrar no dopante diretamente abaixo da ponta. Picos próximos são devido a dopantes próximas. Seus centros são deslocados e amplitudes devincado em relação ao pico principal, porque o aumento da distância entre estes contaminantes a partir da ponta modifica os seus parâmetros de braço de alavanca. Os picos são ampliadas ao longo do eixo de tensão essencialmente por quatro efeitos: (1) o braço de alavanca (2), alargamento térmico (3), a amplitude da tensão de excitação, e (4) do filtro do amplificador lock-in saída. Estes efeitos são contabilizados no modelo, como mostra a boa concordância entre a curva modelo sobreposto 1 e os dados.
A Figura 4 (a) mostra uma série de picos de carga, semelhante à Figura 3 (b). Neste caso, a amostra foi GaAs, dopados com os doadores de silício com uma densidade superficial de 1,25 x 10 -2 16 m com uma camada de delta-dopado com 60 nm ou mais abaixo da superfície. Devido à elevada densidade de contaminante, a maioria das características espectroscópicas nesta experiência reflectir diversos grupos de electrões. Os picos são identificados por encaixe; interpretação de um pico como sendo atribuível a um cantele elétron vem de sua consistência na forma e magnitude com a forma esperada de um pico único elétron. Um punhado de picos único electrão foram resolvidos neste experimento 2, uma das quais é indicada pela seta vermelha. Figura 4 (b) e 4 (c), de foco neste pico, indicando que tem a forma esperada para uma única efeito de elétrons. O ajuste na Figura 4 (c) é uma meia-elipse 16 convolved com as funções que representam os efeitos de pico de ampliação descritos acima. Este ajuste tem dois parâmetros livres: o centro do pico eo braço de alavanca. As três curvas CV na Figura 4 (b) são medidas de espectroscopia seqüenciais na mesma função. A quantidade de dispersão dos dados da Figura 4 (b) é típico, uma média de várias curvas em conjunto, como é feito na Figura 4 (a), os resultados da estrutura pico mais facilmente identificável, que é por isso que fazer múltiplas curvas no CVmesma característica é muito importante para melhorar a relação sinal-para-ruído.
Figura 1. Esquema de uma amostra típica. Esquemático de uma amostra típica para a sonda de varredura experimentos capacitância de um único elétron. A amostra é um semicondutor com uma camada condutora subjacente, a uma profundidade conhecida a partir da superfície em que as tensões de polarização e de excitação são aplicadas. Uma camada bidimensional de dopantes está incorporado, também a uma profundidade conhecida a partir da superfície. Os electrões túnel entre a camada condutora e da camada de contaminante, alterando a capacidade do sistema e de induzir uma carga na ponta da imagem, que é medido pelo aparelho de carga sensível. Uma tensão de polarização suficientemente elevada para permitir electrões túnel entre a camada de contaminante e um estado de superfície, bem como, enabling sua detecção na superfície pelo MCT.
Figura 2. Esquema de Microscópio e Charge-sensoriamento Apparatus. Diagrama do circuito para o amplificador descrito na Referência 5 e com base em referência 12. Chip de montagem é mostrado no lugar em um esquema de um Besocke-design 14 microscópio de varredura por sonda com rampas de 13 e de amostras (não à escala). Fio B fornece a tensão de polarização da amostra, incluindo a tensão de excitação AC usado para incitar tunelamento de e para dopantes subsuperfície. C fio é ligado ao condensador de padrão e a fonte de tensão AC ajustável que permite o equilíbrio das HEMT. Fio G liga-se ao amplificador lock-in a partir do qual o sinal de capacitância é gravada, e fio de D se conecta a uma fonte de tensão através de uma resistência para criar avdivisor ensão; saída do divisor de tensão é o sinal enviado para a amplificador lock-in. Durante a medição de capacitância, o fio T é ligado a uma fonte de tensão regulável através de uma grande resistência para evitar que a carga de CA na ponta de vazamento para baixo desta via. No encapsulamento (STM) modo, o fio T se torna o fio de corrente de túnel (com a sua fonte de tensão desligada), o fio B permanece ligada a uma fonte de tensão de DC, e todos os outros fios estão aterrada. Uma escolha típica para a resistência divisora de tensão no fio D é 100 kW com uma tensão no fio D de 1,25 V. A escolha de uma capacitância padrão deve neutralizar o fundo dica amostra capacitância mútua, o que é cerca de 20 fF. O resistor de polarização no fio T deve estar na vizinhança de 20 mohms. Estas escolhas visam ajustar a resistência do HEMT canal dreno-fonte para o seu regime mais sensível.
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Figura 3. SCA imagem e CV Espectroscopia no aceitador dopado Si (a) Imagem de acumulação de carga de digitalização de uma amostra de silício dopado com uma camada de boro aceitadores de densidade superficial de 1,7 x 10 m 15 -2 15 nm, localizados abaixo da superfície 1,. V DC = 75 mV, V excitação = 3,7 mV, a temperatura foi de 4,2 K. (b) Espectroscopia de CV adquirido no ponto (a) indicado pelo ponto azul. Para focalizar a estrutura de pico, a linha de fundo foi subtraído. A escala de tensão foi deslocado de modo que o zero é o centro do pico maior, uma vez que nenhuma medição sonda Kelvin foi feito durante esta experiência para determinar a escala absoluta de tensão, este deslocamento é uma questão de conveniência.
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Figura 4. . CV Espectroscopia Análise em Doadores dopados GaAs (a) espectroscopia de CV adquirida em GaAs, dopado com uma camada de silício doadores de densidade global de 1,25 x 10 m 16 -2 60 nm, localizado abaixo da superfície 2; excitação V = 15 mV, o temperatura foi de 0,3 K. A seta assinala um pico vermelho que foi adicionalmente investigada (b) As medições de espectroscopia mais detalhados individuais CV do pico indicado em (a) com a voltagem centrada no pico,.. excitação V = 3,8 mV (c) dados médios das curvas múltiplas mostrado em (b). O ajuste, mostrado em verde, representa quatro efeitos que alargam o pico: o braço de alavanca, alargamento térmico, a amplitude da tensão de excitação, e o filtro de saída do amplificador lock-in. Em (b) e (c) (a), a conversão para um valor de capacitância através de C = DQ ponta / V excitação não tem sido feita.
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Discussion
Uma explicação detalhada da base teórica para este método experimental é dada em referências 8 e 9 e discutido com relação ao cenário de dopantes subsuperfície na Referência 2, a visão aqui apresentada, portanto, ser breve e conceitual. A ponta é tratado como um prato de um condensador, e da camada condutora subjacente da amostra compreende a outra placa. Se a tensão contínua é aplicada de tal modo que os electrões são puxados na direcção da ponta, e se existe um átomo de contaminante situado entre a camada condutora subjacente, e que a ponta pode acomodar um encargo adicional, então o electrão irá introduzir o contaminante e, portanto, se aproximar a ponta. De electrostática, o movimento deste electrão deve induzir uma carga da imagem do sinal contrário na ponta. A tensão de excitação sinusoidal (excitação V), que se resume na tensão CC fará com que o electrão para ressoar entre a camada de substrato e do contaminante. Por sua vez, a imagem de cobra wdoente também ressoam, dando um sinal AC, que é detectada pelo circuito de detecção de carga sensível utilizando o HEMT e amplificado com um amplificador lock-in. Este sinal de carregamento pode ser então convertido a uma capacitância.
O modo de falha mais comum desse experimento envolve danos ao circuito HEMT que permite a detecção de carga sensível. Uma vez que o portão HEMT é tão pequeno, mesmo uma pequena acumulação de carga estática pode provocar uma falha do HEMT, geralmente sob a forma de um curto-circuito entre o canal de dreno-fonte e a porta. Se um HEMT é curto, a medição de capacitância de um único elétron não pode continuar sem substituí-lo. Uma vez que uma quantidade apreciável de tempo é geralmente gasto na preparação do experimento, particularmente na refrigeração do microscópio para baixo até à sua temperatura de base, HEMTs utilizados para estas experiências devem ser protegidos por assegurar que os canais de porta e de dreno-fonte estão nunca flutuante, quer ligando estas ligações entre si (when trabalhando com os fios de ouro pequeno no chip) ou por terra deles (quando se trabalha com as conexões dos cabos coaxiais). Precauções adicionais podem ser tomadas através do uso de uma pulseira de aterramento ao segurar o chip de montagem ou o hardware microscópio, especialmente em tempo seco, pois a carga estática mesmo leve de pessoa do experimentador pode arruinar um HEMT ou por absoluta curto-circuito-lo ou fazendo com que ele para prender cargas de tal forma que ele nunca completamente estabiliza. Em caso de dúvida sobre a saúde do HEMT, deve-se usar um rastreador curva para olhar para as variações esperadas nas características fonte-dreno com tensão de porta aplicada (muitas vezes chamado de "fã").
As dimensões das almofadas de ouro sobre o chip de montagem não são de grande importância, desde que sejam suficientemente grandes para permitir a ligação do fio de sucesso, no entanto, muito menor do que um milímetro, para evitar o excesso de capacitância de acoplamento para o circuito. Antes de fixar o HEMT ou dica, pode ser útil para fazer uma ligação de teste Elsewaqui no chip de montagem para testar o quão bem a ligação pode ser esperada para o trabalho em que o chip. Com algumas almofadas de ouro extra sobre o chip de montagem também pode ser útil no caso de parte do chip é mais compatível com a ligação de outras regiões no chip. Se o processo de ligação parece estar puxando amostras de ouro para fora da almofada, o chip de GaAs não tenham sido suficientemente limpa antes de as camadas de metal foram fixadas ou o ouro pode estar deteriorado com a idade. Diminuindo a potência de ultra-sons utilizado no fio Bonder pode ser útil no presente processo.
Índio solda é utilizado para prender os condutores de ouro para os cabos coaxiais, devido às suas boas propriedades a temperaturas criogénicas. Da mesma forma, o GaAs é utilizado como o material para o chip de montagem para evitar causar uma tensão térmica contração induzida no HEMT, que é ele próprio fabricado num substrato de GaAs. Desde GaAs é um material piezoeléctrico, uma tensão mecânica sobre o substrato poderá provocar um curto e consequente falha daHEMT.
Para os semicondutores utilizados nas experiências nas referências 1 e 2, a superfície da amostra pode ser trabalhada, utilizando o sistema como um STM. Ou seja, os elétrons poderiam de fato túnel diretamente na ponta quando o aparelho estava configurado em modo STM. Isto é muito útil, pois proporciona uma maneira de trazer a ponta perto da amostra sem bater a ponta na superfície. Uma tensão de polarização na ordem de uns poucos a vários volts é necessário para estabelecer uma corrente de túnel estável. Com uma tensão suficientemente elevada de polarização, taxas será puxado da camada condutora subjacente, em todas as regiões de isolamento da amostra para formar uma poça direcção de carga na superfície, o que poça seguirá a ponta quando a ponta é digitalizado. Assim, a superfície pode ser trabalhada tal como no padrão de STM. Modo de tunelamento pode causar danos eletrônico para medições posteriores. Por exemplo, existe o potencial para a amostra a ser afectada pelas grandes tensões de polarização necessárias para image um semicondutor exemplo no modo de tunelamento, possivelmente induzindo carga transitória de defeitos próximos à superfície. Para resolver esta situação, pode-se remover a grande tensão e deslocar a ponta de uma região de várias centenas de nanómetros de distância (tipicamente sem o uso de retorno), como descrito no protocolo. Alternativamente, a presença de danos para a amostra pode ser detectada através da realização de espectroscopia de CV ou fazendo um Kelvin sonda de medição 2.
A geometria da experiência implica certas características deve ser orientado para o desenvolvimento da amostra. A localização da camada de contaminante ao longo da direcção de encapsulamento é importante, como uma camada de contaminante excessivamente espesso irá adicionar ambiguidade para a determinação do braço de alavanca. Em outras palavras, a espessura da camada de contaminante deve ser tão próxima quanto possível de um plano único atómica. Este arranjo é conhecido como "dopagem delta". Por exemplo, na experiência na Referência 1, a camada de contaminante foi de aproximadamente 2 nanomtros de espessura.
Sucesso cobrar por exames de imagem acumulação feito para localizar características capacitivas de interesse pode levar uma quantidade substancial de tempo, às vezes da ordem de várias horas. No que diz respeito à velocidade de digitalização, cada pixel da imagem deve ter um período de tempo comparável para vários períodos de excitação V, e o filtro de saída do amplificador lock-in deve ser ajustado para aproximadamente o mesmo valor que o tempo por pixel. Deriva do microscópio que não era perceptível ao longo de uma varredura STM alguns minutos, pode contribuir para as imagens de manchas de acumulação de carga substancialmente mais longa duração.
A mesma ponta utilizada para encapsulamento e para experiências de capacitância terá uma forma eficaz diferente devido à dependência distância dos respectivos mecanismos de medição. Desde tunelamento é exponencialmente dependente de distância, para uma boa aproximação, apenas um átomo de ponta única receberá a maior parte do atual. Daí ªe forma da ponta na escala nanométrica é principalmente irrelevante, desde que o ápice é mecanicamente estável. Em SCA de imagem, por outro lado, a carga detectada na ponta é devido a capacitância, a grosso modo, é inversamente proporcional à distância e as porções mais elevadas da ponta pode efectivamente receber uma fracção significativa do sinal. Isso significa que o raio de curvatura da ponta da escala nanométrica é relevante para técnicas de medição de capacitância. Para maximizar a amplitude do sinal, sem comprometer a resolução espacial, o raio da ponta deve ser aproximadamente igual à profundidade da camada de contaminante sob a superfície 8,9.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Acknowledgments
A pesquisa aqui discutidos foi o apoio do Instituto Michigan State University de Ciências Quantum e da National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, e DMR-0605801. KW reconhece o apoio de uma Secretaria de Educação GAANN Interdisciplinar Bioelectrónica Training Fellowship Program EUA.
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
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