-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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 investigaç....

Protocolo

1. PROTOCOLO

1. A configuração inicial do microscópio e eletrônica
   1. 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.
   2. Em adição à tensão de pol....

Resultados

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.......

Discussão

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 su.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Equipment
Besocke-design STM	Custom		References 14 e 15
Eletrônica de controle para STM	RHK Technology	SPM 1000 Revision 7
Amplificador de bloqueio	Stanford Research Systems	SR830
Rastreador de curva	Osciloscópio Tektronix	Tipo 576
	Multímetro Tektronix	TDS360
	Tektronix	DMM912
Wire bonder	WEST· BOND	7476D	com controlador de temperatura K~1200D
Ferro de solda	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
Material
Pt/Ir fio, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer	axt	S-I	Para o chip
99,99% de fio de Au,	SPM		Para o chip de montagem
99,99% de fio de Au, 1 mil de diâmetro	K& S		Para ligação de fios
Tiro de índio	Alfa Aesar	11026
Epóxi de prata	Epo-Tek	EJ2189-LV	Qualquer epóxi condutor compatível com baixa temperatura é aceitável
HEMT	Fujitsu	HEMT

de montagem de 2 mil de diâmetro de baixo ruído