Summary
Skanning-probe single-elektron kapasitans spektroskopi forenkler studie av single-elektron bevegelse i lokaliserte undergrunnsområder. En sensitiv påvisning lade-krets er innlemmet i en kryogen scanning mikroskop probe for å undersøke små systemer av dopant atomer under overflaten av halvleder-prøver.
Abstract
Integrasjonen av lav temperatur skanning-probe teknikker og single-elektron kapasitans spektroskopi representerer et kraftig verktøy for å studere den elektroniske kvante strukturen av små systemer - inkludert individuelle atom dopants i halvledere. Her presenterer vi en kapasitans-baserte metoden, kjent som Subsurface Charge Opphopning (SCA) bildebehandling, som er i stand til å løse single-elektron lading samtidig oppnå tilstrekkelig romlig oppløsning til bilde individuelle atom dopants. Bruken av en kapasitans teknikk muliggjør observasjon av undergrunnsformasjoner, for eksempel dopingsmidler begraver nanometer under overflaten av et halvleder-materiale 1,2,3. I prinsippet kan denne teknikken brukes på alle system for å løse elektronbevegelsen under et isolerende underlag.
Som i andre elektriske felt som er følsomme skannet-probe teknikker 4, avhenger den sideveis romlig oppløsning av målingen delvis på den radius curvature av sondespissen. Ved hjelp av tips med en liten krumningsradius kan aktivere romlig oppløsning på noen titalls nanometer. Dette fine romlig oppløsning lar undersøkelser av små tall (ned til én) av undergrunnen dopingsmidler 1,2. Avgiften oppløsning avhenger sterkt av sensitiviteten av lade detection krets, ved hjelp av høye elektron mobilitet transistorer (HEMT) i slike kretser ved kryogeniske temperaturer muliggjør en følsomhet på ca 0,01 elektroner / Hz ½ ved 0,3 K 5.
Introduction
Undergrunnen Charge Opphopning (SCA) avbildning er en lav-temperatur metode stand til å løse single-elektron lading hendelser. Når anvendes i studiet av dopant atomer i halvledere, kan metoden påvise enkelte elektroner påbegynner eller-mottager-atomer, som tillater karakterisering av kvante struktur av disse minutt systemer. På hjertet sitt, er SCA bildebehandling en lokal kapasitansmåling 6 velegnet for kryogenisk bruk. Fordi kapasitansen er basert på elektrisk felt, er det en lang-effekt som kan løse lading under isolerende flater 6. Kryogenisk operasjon tillater undersøkelse av single-elektronbevegelsen og kvante-nivå avstand som ville være uløselig ved romtemperatur 1,2. Teknikken kan anvendes på en hvilken som helst system hvor elektron bevegelse under en isolerende overflate er viktig, herunder lade dynamikk i to-dimensjonale elektron-systemer ved nedgravde grensesnitt 7, for korthets fokuset her vil være på studier av halvledere dopants.
På det mest skjematisk nivå, behandler denne teknikken det skannede spissen som en plate av en parallell-plate kondensator, men realistisk analyse krever en mer detaljert beskrivelse på kontoen for krumningen av tuppen 8,9. Den annen plate i denne modellen er en nanoskala område av det underliggende, ledende lag, slik som vist i figur 1. I hovedsak, som en ladning trer et dopingsmiddel som reaksjon på en periodisk eksiteringsspenningen, blir det nærmere dysen; denne bevegelse induserer mer bilde ladningen på spissen, som er oppdaget med følerkretsen 5.. Tilsvarende som charge avslutter dopant, blir bildet kostnad på spissen redusert. Derav periodiske lading signal som reaksjon på eksiteringsspenningen er det detekterte signal - i hovedsak er det kapasitans, således denne måling blir ofte referert til som å bestemme CV egenskapene til systemet.
telt "> Under kapasitansmåling, er den eneste netto tunnel mellom den underliggende ledende laget og dopant lag -. charge aldri tunneler direkte på tuppen Mangelen på direkte tunnelering til eller fra spissen under målingen er en viktig forskjell mellom denne teknikk og mer kjent scanning tunneling mikroskopi, er selv om mye av maskinvaren for dette systemet i hovedsak identisk med en scanning tunneling mikroskop. Det er også viktig å merke seg at SCA tenkelig er ikke direkte følsomme for statisk elektrisitet. For undersøkelser av statisk elektrisitet distribusjoner, skanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk kraft mikroskopi er hensiktsmessig Andre kryogeniske metoder for å undersøke lokale elektroniske atferd eksisterer som også har gode elektroniske og romlig oppløsning;. for eksempel skanning single-elektron transistor mikroskopi er en annen scanning probe metoden kan påvise minutters lading effekter 4,10. SCA bildebehandling var opprinneligutviklet ved MIT etter Tessmer, Glicofridis, Ashoori, og medarbeidere 7, dessuten kan metoden beskrevet her betraktes som en scanning probe versjon av Single-Electron Kapasitans spektroskopi metode utviklet av Ashoori og medarbeidere 11. Et sentralt element i målingen er et utsøkt sensitive lade-deteksjon krets 5,12 ved hjelp av høy elektron mobilitet transistorer (HEMT), det kan oppnå et støynivå så lavt som 0,01 elektroner / Hz ½ på 0,3 K, base temperaturen kryostaten i Reference fem. En så høy følsomhet tillater observasjon av single-elektron lading i undergrunnen systemer. Denne metoden er egnet for studiet av elektron eller hull dynamikken i individuelle eller små grupper av dopants i halvledere, med typiske dopant Areal tettheter i størrelsesorden 10 15 m -2 i et fly geometri to. Et eksempel på en typisk prøve konfigurasjonen for denne type forsøk er vist i figur 1.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
En. PROTOKOLL
- Første installasjon av mikroskop og elektronikk
- Begynn med en lav temperatur-stand scanning probe mikroskop med tilhørende styringselektronikk. De mikroskop benyttet for forskningen beskrevet her benytte treghet oversettelse å "gå" prøven mot og bort fra spissen langs ramper (13 laget av et ledende materiale slik som kobber, messing eller rustfritt stål for å gjøre dem i stand til å overføre til den forspenning prøve) som en del av en Besocke utforming STM 14, skjematisk vist i figur 2..
- I tillegg til forspenningen og tunnelbygging aktuelle koaksiale ledninger, gi minst to andre koaksiale ledninger og en jordledning som strekker seg fra den elektroniske stativet til området nær tuppen av mikroskopet for å operere den kryogene forsterkerkrets for sensitiv påvisning kostnad. Sett sammen elementene i forsterkerkretsen, er beskrevet i detalj i 5 referanser, 12 og 15, er at huset på electronics stativ, og dette er den del av kretsen utenfor det skraverte boksen i figur 2. Denne del av kretsen vil forbli ved romtemperatur gjennom hele eksperimentet.
- Foreta monteringen chip for spissen og HEMT krets (skravert boks i figur 2), og den HEMT krets vil bli senket til kryogeniske temperatur for å oppnå optimal energi-oppløsning.
- Cleave en firkantet chip størrelsene ca 1 cm x 1 cm fra en GaAs wafer ved hjelp av en skriftlærd, følerkretsen og tips vil bli montert på denne brikken. Innskudd ca 100 nm av gull på toppen av en titan stikker lag gjennom en shadowmask på GaAs chip for å danne flere gull pads, hver størrelse ca 1 mm x 1 mm, som ledninger fra HEMT og biasing motstanden vil bli limt. Dimensjonene på putene er ikke kritisk.
- Forbered en skarp STM tips ved mekanisk kutte en 80:20 Pt: Ir ledningen med sidekuttere. Spissen kan også fremstilles ved kjemisk etsing or en annen fremgangsmåte eller kan kjøpes kommersielt. Bestemme krumningsradius av spissen via scanning elektronmikroskopi; krumningsradius bør være i størrelsesorden av den romlig oppløsning som er nødvendig for forsøket.
- Epoxy en gull wire på hver av de gull-elektroder ved hjelp av ledende epoxy i stand til å tåle kryogene temperaturer, og disse ledningene vil koble elementene i kretsen på montasjeplaten brikken til de koaksiale ledninger på mikroskop. Siden gull ledninger kan enkelt fjernes etter neste trinn hvis de ikke trengs, epoxy noen overflødige gull ledninger på putene. Epoxy på HEMT, forspenningen motstand, og STM tips på de GaAs montering chip. Kurere epoxy som indikert på sin produktinformasjonsarket. (Se tabellen av materialer nedenfor for detaljer.)
- Ved hjelp av en wire bønder lastet med gull wire, obligasjons kilden, avløp og gate elementer av HEMT å skille gull pads på GaAs chip. Obligasjonslån midlertidige ledninger kobler gate og source or avløp elektrodene for å sikre at porten ikke blir belastet med hensyn til kilde-avløpskanal. Bruk en grunnstøting stropp for ekstra sikkerhet mens manipulere HEMT, det er viktig å ta forholdsregler for å unngå å introdusere bortkommen statisk elektrisitet som kan ødelegge den HEMT.
- Oppbevar det fremstilte montasje-brikken med de ledninger festet til porten og til kilden-avløpskanal av HEMT elektrisk koblet til hverandre for å unngå å kortslutte HEMT. Hvis de midlertidige ledninger som er nevnt i forrige trinn er fjernet, vri forsiktig ledningene sammen. Det enkleste er å koble alle ledningene til hverandre.
- Fest montering chip til mikroskopet.
- Kontroller at porten og kilde-drain kanaler er aldri flytende, dette er for å hindre ødeleggende shorts mellom gate og source-drain kanaler av HEMT. Jord koaksial ledninger på mikroskop som ledningene fra brikken vil bli loddet.
- Fest montering chip oppå than skanning piezotube, som vist i figur 2..
- Lodde gull ledninger som strekker seg fra montering chip til de relevante koaksial ledninger med indium loddetinn.
- Kontroller integriteten av HEMT ved hjelp av en kurve tracer koplet til de koaksiale ledninger når elektronikken stativet. I hovedsak viser kurven tracer de kilde-drain strøm-spenning karakteristikk. Den vanligste feilmodus er en kort mellom HEMT porten og kilde-avløpskanal, som resulterer i kilde-avløp egenskaper som er ufølsom for gate spenning.
- Fest prøven. Gå inn i serien med mikroskopet konfigurert i STM-modus for å sikre at utvalget vil lykkes nærme tuppen.
- Koble ledningen T til forforsterkeren brukes til STM tunnelering strømmålinger, og fest DC bias spenning V DC til ledningen B. (Alle tilkoblinger er gjort på elektronikk stativet.)
- Gå på før prøven og tips er i tunneling rekkevidde. Når du er i range, bør skanning piezotube forbli utvidet noe fra sin likevekt posisjon slik at jording av skanning piezotube vil føre spissen for å trekke fra sin in-range forlengelse. Dette bekrefter at prøven kan lykkes nærme tuppen. Gå ut av området etter å gjøre dette, for å beskytte spissen i løpet av de neste handlinger.
- Overfør mikroskop fra laboratoriet benchtop til Dewar for eventuelt lav-temperaturdrift. På dette punktet, er prøven fullført fase og den eksperimentelle fase kan begynne.
- Pumpe ut mikroskop for vakuum på noen få microtorr. Avkjøl mikroskop til 4,2 K eller lavere for optimal energi oppløsning, følge fremgangsmåten beskrevet i manualen for kryostaten.
- Etter avkjøling av mikroskop til sin base temperatur, lar mikroskop tilstrekkelig tid til å nå termisk likevekt, ettersom gjentatt, lange skanninger av det samme område vil bli utført, er det viktig å minimalisere termisk drift. (Drift eren forskyvning i likevekten posisjonen til tuppen i forhold til prøven.)
- Suspendere dewar å isolere mikroskop så mye som mulig fra vibrasjoner på grunn av mekanisk kobling til bygningen og til vakuumpumper og andre enheter som er koblet til mikroskopet og dewar. Dette kan gjøres ved hjelp av en strikk ledningen suspensjon system, som i Reference 15, eller ved hjelp av luftfjæring eller en lignende metode.
- Etter avkjøling mikroskopet og før du prøver datainnsamling, bekrefte integriteten til HEMT igjen ved hjelp av kurven tracer.
- Skann prøven i tunneling (STM) modus.
- Gå inn i området. Finn et område av prøven overflate som er fri for rester og fra betydelig høyde eller ledningsevne, og det sørger tuppen er stabil.
- Korrigere for eventuelle tilt av prøven, og dette er spesielt viktig fordi kapasitans skanninger vil bli utført med feedback loop deaktivert, og dermed spissen kunne krasje inn i overflaten hvis scanning planet ikke er parallell med overflaten av prøven. I prinsippet kunne man bruke kapasitans signal med tilbakemelding for å opprettholde en konstant kapasitans under skanning av tuppen, men i praksis, er signalet ikke er tilstrekkelig robust til å hindre en kollisjon hvis tilbakemelding blir brukt.
- Observere noen termisk drift, slik at det kan kompenseres for ved å flytte spissen utlignet. Legg merke til mengden av utvidelsen av tuppen mens du er i området i tunnel modus, referert til i denne protokollen som berøring punkt.
- Beveg til et uaffisert område av prøven, én som ikke ble skannet i STM-modus.
- Deaktiver feedback loop i STM kontrolleren. Husk at når feedback loop er deaktivert, kan manuelle bevegelser av tuppen utilsiktet føre til krasj. Stor forsiktighet bør derfor tas mens du beveger tuppen.
- Trekk inn tuppen noen titalls nanometer fra berøring punkt.
- Forskyve posisjonen av spissen til et nærliggende område av prøven hvich har ikke nylig blitt skannet, for å unngå eventuelle forstyrrelser (slik som lading av halvledere dopant nettsteder) bias spenningen som kreves for å aktivere tunnel gjennom halvledende prøven for STM skanning kan ha forårsaket.
- Forsiktig forlenge tips mot overflaten til spissen forskyvning fra likevekt utvidelsen er nært størrelsesorden som touch-punkt.
- Bytt trådføringskonfigurasjon til kapasitans.
- Jorde alle koaksial kabler for å beskytte HEMT.
- Den koaksiale ledninger til de relevante spenningskilder og motstander og til innlåsningsforsterkeren og funksjonsgeneratoren, som vist i figur 2..
- Slå på alle strømkilder. For å unngå sjokkerende HEMT, begynne med spenningskildemiddel utganger på 0 V.
- Umalt de koaksiale ledninger, huske å holde porten og kilde-avløpskanal av HEMT koblet til hverandre så lenge som mulig for å beskytte HEMT.
- Still voltage kilde på spenningsdeler motstand (ledning D).
- Tune HEMT til sin mest sensitive regionen ved å overvåke spenningen over ledningen L med et multimeter mens du justerer V melodi. Fest ledningen L til innlåsningsforsterkeren etterpå.
- Økning V tune inntil i-fase-signal på innlåsningsforsterkeren øker og begynner å flate Opptak denne verdien av V melodi, som er den spenning som påtrykkes til spissen. Dette gjør at alle angrep fra målingen for å gå til HEMT stedet for lekker gjennom ledningen L.
- Optimalisere den interne fasen av innlåsningsforsterkeren bruker sin autophase evne og ta opp den fasen verdi.
- Vent til HEMT å stabilisere å sikre at det ikke er vesentlige termiske effekter (dette ofte tar opptil to timer).
- Balansere HEMT ved å justere signalet på standard kondensator for å sikre at bare signalet av interesse går til innlåsningsforsterkeren. Justeringer av signalet påstandard kondensator kan gjøres enten med amplituden av V-balansen eller til den relative fase mellom V og V balanse eksitasjon. Den HEMT anses balansert når i-fase-signal på innlåsningsforsterkeren er minimert ved dette trinnet av fremgangsmåten.
- Utfør skanning kostnad opphopning bildebehandling.
- Sett DC bias spenning V DC på prøven.
- Forleng tuppen plasseres 1 nm fra overflaten, ved hjelp av berøring punkt som referanse.
- Registrere utgang av innlåsningsforsterkeren hjelp av datainnsamling programvare, dette er signalet av interesse.
- Skann prøven. For å oppnå god oppløsning, kan de skanner trenger å bli kjøpt til en kurs av flere timer per scan for å gi tilstrekkelig signal gjennomsnitt for hver piksel, og for å unngå flekker på signalet over tilstøtende piksler i bildet. Utføre flere skanner over det samme området, og gjennomsnittlig disse skanninger sammen for å forbedre signal-til-støy-forhold.
- Utfør kapasitans (CV) spektroskopi med spissen i ro over en undergrunn funksjon av interesse i tiltalen opphopning image ervervet under det forrige trinnet.
- Ramp V DC og registrere resultatet av innlåsningsforsterkeren hjelp av datainnsamling programvare.
- Ta flere kapasitans g. spenning (CV) kurver på samme sted, og gjennomsnittlig disse kurver sammen for å forbedre signal-til-støy-forhold. Vanligvis er noen få kurver gjennomsnitt sammen. Mens gjennomsnittlig kurver forbedrer signal-til-støy-forhold, på grunn av muligheten for drift i løpet av skanner, bør bare en håndfull av påfølgende skanninger brukes gjennomsnittet sammen.
- Tilbake til tunneling (STM) modus.
- Kjør inn tips til sin likevekt forlengelse og konfigurere elektronikk for STM. Aktivere feedback loop og registrere stede i-range forlengelse av tuppen (touch-punkt).
- Skanne området i tunneling-modus for å se etter funksjoner i toppenography som kan ha generert gjenstander i kapasitans bildebehandling og kapasitans spektroskopi.
- Analysere og tolke data, etter Reference 9 og saksdokumenter i referanse 1..
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sjefen indikator på en vellykket måling er reproduserbarhet, mye som i andre skanning probe metoder. Gjentatte målinger er svært viktig på grunn av dette. For punkt kapasitans spektroskopi, idet mange målinger etter hverandre ved samme sted bidrar til å øke signal-til-støy-forholdet og identifiserer falske signaler.
Når en egenskap av interesse har blitt identifisert innen lade opphopning bilde og kapasitans spektroskopi er utført, begynner tolkning av CV-data ved å bestemme spenningen hevarm. Spenningen hevarm er skalafaktoren knyttet selve potensialet ved plasseringen av dopingsmiddel til den påtrykte V DC. Den utgjør i hovedsak til den ikke-null avstand av spissen fra det dopingsmiddel lag og for enhver sideveis forskyvning av den dopingsmiddel fra stillingen rett under spissen. Spenningen spak arm blir funnet ved å montere en Lorentzian funksjon til CV spektroskopi data 1,8 </ Sup>. Dersom en absolutt skala spenning er ønsket bør kontakten potensiale (spenning ved hvilken ingen elektriske feltlinjer fra prøven avsluttes ved spissen) bli bestemt via en Kelvin sonde måling 1,2,3,7.
Figur 3 (a) viser et eksempel på en ladning opphopning bilde med CV spektroskopi ervervet ved den angitte punkt. Prøven var silisium, dopet med boron acceptors med et areal tetthet på 1,7 x 10 15 m -2 i et delta-dopet lag 15 nm under overflaten. Lysere farger tyder på økt lading. De lyse flekkene er tolket som markerer plasseringen av individuelle undergrunnen boron atomer. Prikken indikerer en bestemt lyspunkt hvor punkt CV spektroskopi ble utført 1, som vist i Figur 3 (b). Den største høydepunkt er tolket til å være ansvarlig inn i dopant rett under spissen. Nærliggende toppene skyldes nærheten dopants. Deres sentre er forskjøvet og amplituder deøkte med hensyn til hovedtoppen fordi den økte avstanden av disse dopingsmidler fra spissen endrer deres vektarm parametere. Toppene er utvidet langs spenningen akse ved prinsippet fire effekter: (1) den vektarm (2) termisk utvidelse, (3) amplituden av eksiteringsspenningen, og (4) utgangsfilteret av lock-in-forsterker. Disse effektene er redegjort for i modellen, slik det fremkommer av god overensstemmelse mellom den kledde modell kurve 1 og dataene.
Figur 4 (a) viser en serie av lading topper, svarende til fig 3 (b). I dette tilfelle ble prøven GaAs, dopet med silisium donorer med et areal tetthet på 1,25 x 10 m 16 -2 i en delta-dopede lag 60 nm under overflaten. På grunn av den høye tetthet dopingsmiddel, de fleste av de spektroskopiske egenskaper i dette forsøk reflektere grupper av mange elektroner. Toppene er identifisert ved montering; tolkning av en topp som kunne tilskrives en syngele elektron kommer fra dens konsistens i form og størrelse med den forventede formen av et enkelt elektron-peak. En håndfull av enkelt-elektron toppene ble løst i dette eksperiment 2, hvorav den ene er indikert med rød pil. Figur 4 (b) og 4 (c) fokuserer på denne topp, som viser at den har den forventede form for en enkelt- elektron effekt. Den passer i Figur 4 (c) er en halv ellipse 16 konvolvert med funksjoner regnskap for peak-Utvidelseskarer effektene som er beskrevet ovenfor. Dette passer har to frie parametre: sentrum av peak og spaken arm. De tre CV kurvene i figur 4 (b), er sekvensielle spektroskopi målinger på den samme funksjonen. Mengden av spredning i dataene i figur 4 (B) er typisk; snitt flere kurver sammen, slik det gjøres i figur 4 (a), resulterer i lettere topp-identifiserbar struktur, og det er derfor å gjøre flere CV kurvene påsamme trekk er meget viktig for å forbedre signal-til-støy-forhold.
Figur 1. Skjematisk fremstilling av et typisk eksempel. Skjematisk fremstilling av et typisk eksempel for skanning-probe single-elektron kapasitans eksperimenter. Prøven er en halvleder med en underliggende ledende lag ved en kjent dybde fra overflaten som skjevhet og eksitasjon spenninger blir anvendt. En to-dimensjonale lag av dopingsmidler som er innebygd, også ved en kjent dybde fra overflaten. Elektroner tunnel mellom den ledende skikt og det dopingsmiddel sjikt, endre kapasitansen til systemet og indusere et bilde ladning i den spiss som er målt ved lade-følsomme apparat. En tilstrekkelig høy forspenning vil muliggjøre elektroner til tunnel mellom dopingsmiddel lag og et underlag tilstand også, enabling sin oppdagelse på overflaten av STM.
Figur 2. Skjematisk av mikroskop og Charge-sensing Apparatus. Koblingsskjema for forsterkeren beskrevet i Reference 5 og basert på Reference 12. Montering chip er vist på plass på en skjematisk av en Besocke-utforming 14 scanning probe mikroskop med ramper 13 og eksempler (ikke i målestokk). Wire B gir prøven forspenning, inkludert AC eksiteringsspenningen brukt til å oppildne tunnelering til og fra undergrunnen dopants. Wire C er koblet til den vanlige kondensator og avstembar vekselspenningskilden som tillater balansering av HEMT. Wire L kobles til innlåsningsforsterkeren hvorfra kapasitans signalet blir registrert og ledning D kobles til en spenningskilde over en motstand for å skape AVoltage barriere; produksjonen av spenningsdeler er signalet sendes til innlåsningsforsterkeren. Under måling av kapasitans, er ledningen T koplet til en regulerbar spenningskilde gjennom en stor motstand for å hindre at AC ladningen på tuppen fra å lekke ned denne bane. I tunneling (STM) modus, blir ledningen T den tunneling nåværende ledning (med sin spenning kilde frakoblet), wire B forblir koblet til en DC spenning kilde, og alle andre ledninger er jordet. En typisk valg for den spenningsdeler motstand på wire D er 100 kW med en spenning på wire D av 1,25 V. Valget av standard kapasitans bør motvirke bakgrunnen tip-sample gjensidig kapasitans, som er ca 20 ff. Forspenningen motstand på wire T bør være i nabolaget av 20 MΩ. Disse valgene tar sikte på å justere motstanden i HEMT kilde-drain kanal til sin mest sensitive regime.
"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Figur 3. SCA bilde og CV spektroskopi på Akseptant-dopet Si (a) Scanning kostnad opphopning bilde av en silisium prøve dopet med et lag av boron acceptors av areal tetthet 1,7 x 10 15 m -2 ligger 15 nm under overflaten 1;. V DC = 75 mV, V eksitasjon = 3.7 mV, temperaturen var 4,2 K. (b) CV spektroskopi ervervet på det punktet i (a) angitt av den blå prikken. Å fokusere på toppen struktur, ble en bakgrunn linjen trekkes fra. Spenningen skala er blitt forskjøvet slik at null er sentrum av den største topp, siden ingen Kelvin sonde målingen ble utført i løpet av dette eksperiment for å bestemme den absolutte spenning skala, er denne forskyvningen er et spørsmål om bekvemmelighet.
load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Figur 4. . CV spektroskopianalysen på Donor-dopet GaAs (a) CV spektroskopi ervervet på GaAs, dopet med et lag av silisium-givere av arealtetthet 1.25 x 10 16 m -2 ligger 60 nm under overflaten 2, V eksitasjon = 15 mV, og den Temperaturen var 0,3 K. Den røde pilen markerer en topp som ble ytterligere undersøkt (b) Mer detaljerte individuelle CV spektroskopi målinger av den indikerte topp i (a) med spenningen sentrert på toppen,.. V eksitasjon = 3,8 mV (C) gjennomsnittsdata av flere kurver vist i (b). Passformen, vist i grønt, står for fire effekter som utvider peak: spaken arm, termisk utvidelse, amplitude av eksiteringsspenningen, og utgangsfilteret av lock-in forsterker. I (b) og (c) (a), konverteringen til en kapasitans verdi via C = ΔQ tips / V eksitasjon ikke har blitt gjort.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En detaljert forklaring av det teoretiske grunnlag for denne eksperimentelle metode er gitt i referanser 8 og 9 og diskutert med hensyn til scenario av undergrunnsformasjoner dopingsmidler i referanseeksempel 2, med oversikt presenteres her, vil derfor være kort og konseptuelle. Tuppen er behandlet som en plate av en kondensator, og det ledende skikt underliggende prøven omfatter den andre plate. Dersom DC spenning påtrykkes slik at elektroner trekkes mot tuppen, og hvis det er et dopingsmiddel atom som ligger mellom det underliggende ledende lag, og den spiss som har plass til en ekstra kostnad, da den elektron vil gå inn i dopingsmiddel og dermed komme nærmere tuppen. Fra elektrostatisk, må bevegelsen av denne elektron indusere et bilde kostnad av motsatt fortegn på spissen. Den sinusformet magnetisering (V eksitasjon) som summeres til DC-spenning vil forårsake at elektronet for å resonere mellom substratlaget og det dopingsmiddel. I sin tur belaster bildet wsyk også gjenklang, noe som gir et AC signal som blir oppdaget av sensitive lade-deteksjon krets utnytte HEMT og ytterligere forsterket med en lock-forsterker. Dette lader signalet kan deretter bli omdannet til en kapasitans.
Den vanligste feilmodus av dette eksperimentet involverer skade på HEMT krets som gjør det mulig for den følsomme påvisning kostnad. Siden HEMT porten er så liten, kan selv en liten statisk ladning oppsamling føre til en svikt i HEMT, vanligvis i form av et kort mellom kilde-avløpskanal og porten. Hvis en HEMT er kortsluttet, kan den enkelt-elektron kapasitansmåling ikke fortsette uten å erstatte det. Ettersom en betydelig mengde tid er vanligvis brukt i fremstilling av forsøket, særlig i kjøle mikroskop ned til sin base temperatur, bør HEMTs brukes for disse eksperimentene bli beskyttet ved å sikre at porten og kilde-sluk-kanaler er ikke flytende, enten ved å koble disse fører til hverandre (when arbeide med de små gull ledninger på chip) eller ved å jorde dem (når du arbeider med koaksialkabel tilkoblinger). Ekstra forholdsregler kan tas med seg en jording ved håndtering montering chip eller mikroskop maskinvare, særlig i tørt vær, så selv mild statisk ladning fra experimenter sin person kan ødelegge en HEMT enten ved direkte shorting det eller ved å få den til å felle avgifter på en slik måte at det aldri helt stabiliseres. Hvis du er i tvil om helsen til HEMT, bør man bruke en kurve tracer for å lete etter de forventede variasjoner i kilde-drain egenskaper med anvendt gate spenning (ofte kalt "fan").
Dimensjonene av gullet på putene på montering brikken er ikke av stor betydning, forutsatt at de er store nok til å tillate vellykket trådbin, men mye mindre enn en millimeter for å unngå kopling overskytende kapasitansen til kretsen. Før du fester HEMT eller tips, kan det være nyttig å gjøre en test obligasjon elsewher på montering chip for å teste hvor godt bonding kan forventes å arbeide på at chip. Inkludert noen ekstra gull putene på montering brikken kan også være nyttig i tilfelle en del av brikken er mer mottagelig for liming enn andre regioner på brikken. Hvis bonding prosessen synes å være å trekke fargeprøver av gull ut av puten, kan GaAs chip ikke vært tilstrekkelig ren før metal lag ble lagt ned eller gullet kan ha forverret seg med alderen. Reduksjon av ultrasoniske makt brukes på wire bønder kan være nyttig i dette tilfellet.
Indium loddetinn brukes til å feste gull fører til koaksial ledninger på grunn av sine gode egenskaper ved kryogeniske temperaturer. Tilsvarende er GaAs brukt som materiale for montering av brikken for å unngå å forårsake en termisk sammentrekning-indusert belastning på HEMT, som også er fremstilt på et GaAs-substrat. Siden GaAs er et piezoelektrisk materiale, kan en mekanisk styrke på substratet forårsake en kort og påfølgende svikt iHEMT.
For halvledere som brukes i forsøkene i Referanser 1 og 2, kan sampeloverflaten skal bli avbildet ved hjelp av systemet som et STM. Det vil si, kan elektroner faktisk tunnelen like inn på spissen når apparatet er konfigurert i STM-modus. Dette er meget nyttig fordi det gir en måte for å bringe spissen i nærheten av prøven uten å styrte tuppen inn i overflaten. En forspenning på ordre fra noen få til flere volt er nødvendig for å etablere et stabilt tunneling strøm. Med en tilstrekkelig høy forspenning, vil kostnadene bli trukket fra det underliggende ledende lag på tvers av de isolerende deler av prøven for å danne en dam av ledende charge på overflaten, og dette vanndam vil følge tuppen som spissen blir skannet. Derfor overflaten kan avbildes akkurat som i standard STM. Tunnelering modus kan føre til elektronisk skade for senere målinger. For eksempel, eksisterer potensialet for prøven å bli påvirket av de store spenninger som kreves for å skjevhet image en halvledende prøve i tunnel modus, muligens indusere forbigående lading av nær overflaten defekter. For å løse dette, kan man fjerne de store spenning-og offset tuppen til en region flere hundre nanometer bort (vanligvis uten bruk av feedback), som beskrevet i protokollen. Alternativt kan tilstedeværelsen av skade på prøven påvises ved å utføre CV-spektroskopi eller ved å gjøre en måling Kelvin sonde 2.
Geometrien av forsøket innebærer visse egenskaper bør man tilstrebe i utvikling av prøven. Lokaliseringen av dopingsmiddel lag langs retningen av tunnel er viktig, da en altfor tykt dopingsmiddel lag vil legge tvetydighet til bestemmelse av hevarmen. Med andre ord, bør tykkelsen av dopingsmiddel sjikt være så nært som mulig til et enkelt atom plan. Dette arrangement er referert til som "delta-doping." For eksempel, i forsøket i referanseeksempel 1, ble det dopingsmiddel lag omtrent 2. nanomtere er tykk.
Vellykket charge akkumulering bildebehandling skanner gjort for å finne kapasitive funksjoner av interesse kan ta en betydelig mengde tid, noen ganger i størrelsesorden flere timer. Med hensyn til å skanne hastighet, bør hver piksel i bildet ta en tidsperiode sammenlignbar med flere perioder med V-magnetisering, og utgangsfilteret til innlåsningsforsterkeren bør settes til tilnærmet samme verdi som den tid per piksel. Drift i mikroskop som var ikke merkbart i løpet av noen få minutter STM scan kan bidra til å smøre er nødvendig med betydelig lengre varighet-charge akkumulering bilder.
Den samme spiss som brukes for tunnelering og for kapasitans eksperimenter vil ha en annen form effektiv på grunn av avstanden avhengighet av de respektive måle-mekanismer. Siden tunnelering er eksponensielt avhengig av avstanden, til en god tilnærmelse, vil bare en enkelt spiss atom mottar det meste av strømmen. Derfor the formen på spissen på nanometerskala er stort sett uten betydning, så lenge apex er mekanisk stabilt. I SCA avbildning, derimot, er ladningen detektert på spissen på grunn av kapasitans, grovt sett er omvendt proporsjonal med den avstand og høyere partier av spissen kan faktisk motta en betydelig brøkdel av signalet. Dette betyr nanometer-skala krumningsradius av spissen er relevant for kapasitansmåling teknikker. For å maksimere amplituden til signalet uten at romlig oppløsning, bør neseradius være omtrent lik dybden av dopingsmiddel lag under overflaten 8,9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Forskningen diskutert her ble støttet av Michigan State University Institute for Quantum Sciences og National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, og DMR-0605801. KW erkjenner støtte fra en US Department of Education GAANN Tverrfaglig Bioelectronics Training Program fellesskap.
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).
