Summary
스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.
Abstract
반도체의 개별 원자 도펀트를 포함하여 - 저온 스캐닝 프로브 기술과 단일 전자 용량 분광법의 통합은 소규모 시스템의 전자 양자 구조를 연구 할 수있는 강력한 도구를 나타냅니다. 여기에서 우리는 이미지 개별 원자 도핑에 충분한 공간 분해능을 달성하면서 단일 전자 충전을 해결 할 수 지하 충전 축적 (SCA) 이미지로 알려진 용량 기반의 방법을 제시한다. 정전 용량 기술의 사용은 반도체 재료 1,2,3의 표면 아래에 많은 나노 미터 묻혀 도펀트로 지하 기능을 관찰 할 수 있습니다. 원칙적으로,이 기술은 단열 표면 아래의 전자 움직임을 해결하기 위해 모든 시스템에 적용 할 수 있습니다.
다른 전기장에 민감한 스캔 프로브 기술 4에서와 같이, 측정의 측면 공간 해상도는 curvatur의 반경 부분에 따라 달라집니다프로브 팁의 전자. 곡률 반경이 작은과 팁을 사용하여 나노 미터의 수십의 공간 해상도를 설정할 수 있습니다. 이 좋은 공간 해상도는 지하 도펀트 1,2의 작은 숫자의 조사 (아래 하나) 할 수 있습니다. 충전 해상도는 충전 감지 회로의 감도에 따라 크게 차이, 극저온의 온도에서 같은 회로에서 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 약 0.01 전자 / Hz의 감도를 가능 ½ 0.3 K 5시.
Introduction
지하 충전 축적 (SCA) 영상은 단 전자 충전 이벤트를 해결 할 수있는 저온 방법입니다. 반도체 도펀트 원자의 연구에 적용 할 때,이 메소드는이 분 시스템의 양자 구조의 특성을 허용, 기증자 또는 셉터 원자를 입력 개별 전자를 감지 할 수 있습니다. 그 중심에서 SCA 영상은 현지 캐패시턴스 측정 6 극저온 운전에 적합합니다. 용량은 전기 분야를 기반으로하기 때문에, 그것은 표면에게 6 단열 아래 충전 해결할 수있는 장거리 효과입니다. 저온 작업은 상온 1,2에서 해석 할 수없는 것입니다 단일 전자 모션 및 양자 레벨 간격의 조사를 허용합니다. 이 기술은 묻혀 인터페이스 7 2 차원 전자 시스템에서 충전 역학을 포함, 절연 표면 아래의 전자 움직임이 중요한 모든 시스템에 적용 할 수 있으며, 간결, 여기에서 초점은 반도체 도핑 연구에있을 것입니다.
현실적인 분석 팁 8,9의 곡률 계정에 대한 자세한 설명을 필요로하지만 대부분의 개략적 인 수준에서,이 기술은 평행 판 콘덴서의 하나의 판으로 스캔 팁을 처리합니다. 그림 1과 같이이 모델의 다른 플레이트는 기본 실시 층의 나노 영역입니다. 충전주기 여기 전압에 대한 응답으로 도펀트를 입력 본질적으로, 그것은 끝이 가까워지고,이 운동은 센서 회로 5를 검출 팁에 대한 자세한 이미지 충전을 유도합니다. 마찬가지로, 충전 종료 불순물을 같이 첨단의 이미지 요금이 감소합니다. 따라서 여기 전압 님의 질문에 답변 정기 충전 신호가 감지 된 신호이다 - 기본적으로는 커패시턴스, 따라서이 측정은 종종 시스템의 CV 특성을 결정이라고합니다.
텐트 "> 캐패시턴스 측정 중, 유일한 그물 터널링은 기본 도전 층 및 도판 층 사이에 -. 직접 팁 위에 충전 결코 터널 측정시 또는 끝에서 터널링 직접의 부족이 사이에 중요한 차이가 기술과 더 익숙한 스캐닝 터널링 현미경은, 비록 대부분이 시스템의 하드웨어는 주사 터널링 현미경의 그것과 본질적으로 동일하다. 그것은 SCA 영상은 정전기에 직접 문자를 구분하지 않습니다 점에 유의하는 것도 중요합니다. 정전기 수사 분포는 켈빈 프로브 현미경 또는 정전기력 현미경 스캐닝 적절도 좋은 전자 및 공간 해상도가 로컬 전자 행동이 존재 검사를위한 추가 극저온 방법;. 예를 들어, 단일 전자 트랜지스터 현미경 스캐닝 충전 분을 검출 할 수있는 또 다른 스캐닝 프로브 방법 SCA 영상은 원래 효과 4,10이었다.Tessmer, Glicofridis, Ashoori, 및 동료 7에 MIT에서 개발, 또, 여기에 설명 된 방법은 Ashoori 및 동료 (11)에 의해 개발 된 단일 전자 용량 분광학 방법의 스캐닝 프로브 버전으로 간주 할 수 있습니다. 측정의 핵심 요소는 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 정교하게 민감한 충전 감지 회로 5,12이며 0.01 전자 / Hz에서의 낮은 노이즈 레벨을 달성 할 수있다 ½ 0.3 K에서 그라 이오 스탯의 기본 온도를 참고 5인치 이러한 높은 민감도는 지하 시스템에서 단일 전자 충전 관찰 할 수 있습니다. 이 방법은 평면 기하학의 10 15m -2의 순서에 대한 일반적인 불순물 면적 밀도, 반도체 도펀트의 개인 또는 소규모 그룹의 전자 또는 홀 역학의 연구에 적합합니다. 이런 유형의 실험에 대한 일반적인 샘플 구성의 예는 그림 1과 같다Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOL
- 현미경과 전자 제품의 초기 설치
- 관련 제어 전자 장치와 극저온 가능 스캐닝 프로브 현미경으로 시작합니다. 연구에 사용 된 현미경은 여기에서 멀리 램프 13 (그들에 바이어스 전압을 전송 할 수 있도록 같은 구리, 황동 또는 스테인리스 스틸로 전도 물질로 따라 끝에서 방향 견본 "걷기"로 관성 번역을 사용하여 설명 개략적으로 그림 2와 같이 Besocke 디자인 STM 14의 일환으로 샘플).
- 바이어스 전압 및 터널링 전류 동축 전선뿐만 아니라, 민감한 충전 감지 극저온 앰프 회로를 동작하기 위해 현미경의 팁 근처에 전자 랙에서 확장 적어도 다른 두 개의 동축 전선 및 접지선을 제공합니다. 참고 5, 12, 15에서 자세히 설명 증폭기 회로의 요소를 조립하는이 전자에 보관되어 있습니다lectronics 랙, 이것은 그림 2의 음영 처리 된 상자 외부 회로의 부분입니다. 회로의이 부분은 실험을하는 동안 실온에서 유지됩니다.
- 팁과 HEMT 회로 (그림 2의 음영 박스)의 장착 칩을 조립, HEMT 회로는 최적의 에너지 분해능을 얻기 위해 극저온 온도로 낮아집니다.
- 다니엘은 사각형 칩은 약 1cm에게 스크라이브를 사용하여 갈륨 비소 웨이퍼에서 x 1 cm의 치수를 쟀다, 센서 회로 끝이 칩에 장착됩니다. 입금 갈륨 비소 칩에 shadowmask을 통해 티타늄 고집 층 꼭대기에 금 약 100 nm의 여러 금 패드, 각, X 1mm 약 1mm 크기의 HEMT 및 바이어스 저항의 전선이 결합 될로 형성한다. 패드의 크기는 중요하지 않습니다.
- 대각선 절단기를 사용하여 IR 철사 : 기계적 80:20 백금을 절단하여 날카로운 STM 팁을 준비합니다. 팁은 화학적 에칭 O에 의해 제조 될 수있다R 다른 방법 또는 상업적으로 구입하실 수 있습니다. 주사 전자 현미경을 통해 끝의 곡률 반경을 결정, 곡률 반경은 실험에 필요한 공간 해상도의 순서에 있어야합니다.
- 극저온의 온도를 견딜 수있는 전도성 에폭시를 사용하여 금 각 패드 위에 에폭시 골드 와이어, 이들 와이어는 현미경 동축 선에 장착 칩에 회로의 요소를 연결합니다. 골드 와이어는 쉽게 패드 위에 그들이 필요하지 않은 경우 다음 단계 에폭시 몇 가지 여분의 골드 와이어 후 제거 할 수 있기 때문에. 에폭시 HEMT, 바이어스 저항 및 칩을 장착 갈륨 비소 위에 STM 팁. 자사의 제품 정보 시트에 표시된대로 에폭시 경화. (자세한 내용은 아래의 자료 표를 참조하십시오.)
- 골드 와이어 본드와 함께로드 와이어 본더를 사용하여 소스, 드레인 및 갈륨 비소 칩에서 골드 패드를 분리하는 HEMT의 게이트 요소입니다. 게이트와 소스 (을)를 연결하는 채권 임시 전선문을 보장하기 위해 R 드레인 패드는 소스 - 드레인 채널에 대해 청구가되지 않습니다. HEMT를 조작하면서 추가 안전을 위해 접지 스트랩을 사용, 그것은 HEMT를 파괴 할 수 길잃은 정전기를 도입하지 않도록 예방 조치를하는 것이 중요합니다.
- 게이트 및 전기 HEMT 단락 방지하기 위해 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널에 연결된 전선 준비된 장착 칩을 저장합니다. 이전 단계에서 언급 한 임시 전선이 제거 된 경우, 모두 살짝 전선을 꼬아. 그것은 다른 모든 전선을 연결하는 간단합니다.
- 현미경에 장착 칩을 연결합니다.
- 이 HEMT의 게이트와 소스 - 드레인 채널 간의 파괴적인 단락을 방지하는 것입니다, 게이트와 소스 - 드레인 채널 부동 결코 있는지 확인합니다. 칩에서 전선을 납땜 할 수있는 현미경 동축 전선을 접지하십시오.
- 부착 t 꼭대기에 장착 칩그림 2와 같이 그는 piezotube 스캔.
- 솔더 실장 칩에서 인듐 솔더를 사용하여 관련 동축 전선 연장 골드 와이어.
- 전자 랙에서 동축 선에 연결된 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다. 기본적으로, 곡선 추적기 소스 - 드레인 전류 - 전압 특성을 보여줍니다. 가장 일반적인 고장 모드는 HEMT 게이트와 게이트 전압에 민감하다 소스 - 드레인 특성에서 결과의 소스 - 드레인 채널 사이 짧습니다.
- 샘플을 설치합니다. 샘플을 성공적으로 끝을 접근 할 수 있도록 STM 모드로 구성된 현미경 범위로 걸어보세요.
- 전류 측정을 터널링 STM에 사용되는 프리 앰프에 와이어 T를 연결하고 (모든 연결이 전자 랙에서 만들어집니다.) 와이어 B.에 DC 바이어스 전압 V DC를 연결
- 샘플 및 팁 터널링 범위에있는 때까지 걷는다. 때 Ra의NGE, 스캔 piezotube는 스캔 piezotube을 접지하면 끝이 그것의 범위 확장에서 수축하게됩니다, 즉, 평형 위치에서 약간 확장 유지해야한다. 이 예제를 성공적으로 끝을 접근 할 수 있는지 확인합니다. 다음 작업 중 끝을 보호하기 위해이 작업을 수행 한 후 범위 밖으로 걸어.
- 결국 저온 작동 실험실 벤치 탑에서 듀어에 현미경을 전송합니다. 이 시점에서, 테스트 단계가 완료되고 실험 단계를 시작할 수 있습니다.
- 몇 microtorr의 진공 현미경을 펌프. 그라 이오 스탯의 사용 설명서에 설명 된 절차에 따라, 최적의 에너지 분해능은 아래 4.2 K 이상으로 현미경을 냉각.
- 해당 기본 온도 현미경을 식힌 후, 현미경 충분한 시간이 열 평형에 도달 할 수 있도록, 같은 지역의 반복, 긴 스캔이 수행됩니다 때문에, 열 드리프트를 최소화하는 것이 중요합니다. (드리프트는샘플 관련하여 팁의 평형 위치의 변화).
- 최대한 건물 기계적 커플 링 진공 펌프 및 현미경 듀어에 연결된 다른 장치에 의한 진동에서 현미경을 분리 듀어를 일시 중단합니다. 이 참조 15에서와 같이, 또는 공기 스프링 또는 유사한 방법을 사용하여, 번지 서스펜션 시스템을 사용하여 수행 할 수 있습니다.
- 현미경을 냉각 후 데이터 수집을 시도하기 전에, 다시 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다.
- 터널링 (STM) 모드에서 샘플을 검사합니다.
- 범위로 걷는다. 파편과 상당한 높이 또는 전도도의 변화에서 무료 샘플 표면의 영역을 찾아 끝이 안정되어 있는지 확인합니다.
- 샘플의 기울기를 보정, 커패시턴스 스캔이 피드백 루프가 비활성화로 수행되기 때문에 특히 중요하다, 따라서 끝이 표면에 충돌 할 수 있다면 scannING 평면은 시료의 표면에 평행하지 않습니다. 원칙적으로, 하나의 팁을 스캔하는 동안 일정한 용량을 유지하기 위해 피드백 용량 신호를 사용할 수 있지만, 실제로는, 신호는 피드백이 사용되는 경우 충돌을 방지하기 위해 충분히 강력하지 않습니다.
- 그것이 끝이 오프셋 바꾸 보상 할 수 있도록 모든 온도 드리프트를 관찰합니다. 터널링 모드 범위에서 터치 지점으로이 프로토콜에 언급하면서 끝 연장의 양을 확인합니다.
- 시료의 교란 영역, STM 모드에서 스캔되지 않은 하나를 이동합니다.
- STM 컨트롤러에 피드백 루프를 사용하지 않도록 설정합니다. 피드백 루프가 비활성화 된 경우, 팁의 수동 동작이 실수로 충돌이 발생할 수있는 기억합니다. 끝을 이동하면서 신중 따라서주의해야한다.
- 팁에게 터치 점에서 나노 미터의 몇 수만을 철회.
- 샘플 WHI의 가까운 영역에 팁의 측면 위치 오프셋채널은 최근 섭동 (예 : 반도체 불순물 사이트의 위탁 등) STM 스캐닝을위한 반도체 샘플을 통해 터널링을 사용하는 데 필요한 바이어스 전압이 유도 한 수를 피하기 위해, 검색되지 않았습니다.
- 평형 확장의 팁 변위 터치 점 크기에 가까운 때까지 조심스럽게 표면을 향해 팁을 확장합니다.
- 용량 모드로 배선 구성을 전환합니다.
- HEMT를 보호하기 위해 모든 동축 선을 접지하십시오.
- 관련 전압 소스와 저항과의 동축 선을 연결하는 잠금 앰프와 함수 발생기, 그림 2에서와 같이.
- 모든 전압 소스를 켭니다. HEMT 충격을 방지하려면, 0에서 전압 소스 출력을 시작 V.
- 분쇄하지 동축 전선, 게이트 및 HEMT를 보호하기 위해 가능한 한 오랫동안 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널을 유지하기 위해 기억.
- V를 설정전압 분배기 저항에 전 압 소스 (선 D).
- V 곡을 조정하는 동안 멀티 미터 와이어 L의 전압을 모니터링하여 가장 민감한 영역에 HEMT를 조정할 수 있습니다. 그 후 잠금 앰프에 와이어 L을 다시 연결합니다.
- 에서의 위상 신호까지 V 곡을 증가 잠금 앰프 증가하고 고원에 시작, 팁에 적용되는 전압 V 곡의 기록이 값. 이 와이어 L. 통해 누출 대신 HEMT에 가서 측정에서 모든 책임을 수
- 내부의 위상을 최적화 잠금에서의 autophase 능력과 기록 위상 값을 사용하여 앰프.
- 유의 한 열 효과 (이 자주 최대 두 시간 소요)가 없는지 확인하기 위해 안정 HEMT 기다립니다.
- 단지 관심의 신호가 잠금 앰프로 이동하도록 표준 커패시터에 신호를 조정하여 HEMT의 균형을. 에 신호 조정표준 커패시터는 하나 V 균형의 진폭 또는 V 균형과 V 여기의 상대적인 위상 수행 할 수 있습니다. HEMT는 균형을 고려하는 경우에 위상 (in-phase) 신호 잠금 앰프 절차의이 단계에서 최소화됩니다.
- 스캔 전하 축적 이미징을 수행합니다.
- 샘플에 DC 바이어스 전압 V DC를 설정합니다.
- 참고로 터치 포인트를 사용하여 표면의 1 나노 미터 내에서 팁을 확장합니다.
- 의 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프, 이것은 관심의 신호입니다.
- 샘플을 검사합니다. 좋은 해상도를 얻으려면 스캔은 각 픽셀에 대한 충분한 신호 평균화를 허용하고 이미지의 인접 픽셀로 신호의 번짐을 방지하기 위해 스캔 당 몇 시간의 비율로 취득해야 할 수 있습니다. 여러 같은 지역에 스캔, 평균이이 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 함께 스캔을 수행합니다.
- 이전 단계에서 얻은 전하 축적 이미지에 대한 관심이 지하 기능 위에 고정 팁 캐패시턴스 (CV) 분광법을 수행합니다.
- 램프 V DC는과 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프.
- 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 같은 위치에 여러 용량 대 전압 (CV) 곡선과 함께 평균이 곡선을보십시오. 일반적으로, 몇 가지 곡선을 함께 평균입니다. 평균 곡선 때문에 스캔하는 동안 표류의 가능성의 신호 대 잡음비를 개선하면서, 연속 스캔 한 줌을 함께 평균되어야한다.
- 터널링 (STM) 모드로 돌아갑니다.
- 평형 확장 및 재구성 STM의 전자에 대한 팁을 철회. 피드백 루프를 다시 활성화하고 팁의 확장 (터치 점) 범위의 현재를 기록한다.
- 상단에 기능을 찾기 위해 터널링 모드에서 영역을 스캔용량 이미징 및 용량 분광법에 아티팩트를 생성 한 수 ography.
- 참조 9 참조 1의 지원 정보에 따라 데이터를 분석하고 해석한다.
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Representative Results
성공적인 측정의 주요 지표는 매우 다른 스캐닝 프로브 방법에서와 같이, 재현성이다. 반복 측정이 이유를 위해 매우 중요합니다. 포인트 용량 분광법의 경우, 동일한 위치에서 연속적으로 여러 측정을 수행하면 신호 대 잡음 비율을 증가 스퓨리어스 신호를 식별하는 데 도움이됩니다.
그 기능이 전하 축적 이미지에서 발견되었습니다 및 용량 분광법이 수행되면, CV 데이터의 해석은 전압 레버 암을 결정함으로써 시작합니다. 전압 레버 암이 적용된 V DC에 도펀트의 위치에 실제 가능성과 관련된 배율입니다. 그것은 본질적으로 도핑 층의 끝이 아닌 거리를 직접 팁 아래 위치에서 도펀트의 오프셋 측면에 대한 계정. 전압 레버 팔 CV 분광 데이터를 1.8로에서는 Lorentzian 함수를 피팅에 의해 발견된다 </>을 먹다. 절대 전압 눈금이 필요한 경우, 접촉 전위는 (샘플로부터 전기장 라인 끝에서 종료하지하는 전압) 켈빈 프로브를 측정 1,2,3,7를 통해 결정되어야한다.
그림 3 (a)는 지정된 점에서 인수 CV 분광법 전하 축적 이미지의 예를 보여줍니다. 샘플은 15 nm의 표면 아래 델타 도핑 층에있는 1.7 × 10 15m -2의 면적 밀도와 붕소 수용체로 도핑 된 실리콘이었다. 밝은 색상 충전이 증가 나타냅니다. 밝은 반점은 개별 지하 붕소 원자의 위치를 표시로 해석됩니다. 파란색 점은 그림 3 (b)와 같이 점 CV 분광법 1 수행 된 특정 밝은 반점을 나타냅니다. 최대 피크 요금은 직접 팁 아래의 도펀트를 입력 할 해석됩니다. 주변 봉우리 근처의 불순물로 인해 수 있습니다. 이들 센터는 이동 및 진폭 데있다팁에서 이러한 불순물의 증가 거리가 레버 암 매개 변수를 변경하기 때문에 주봉과 관련하여 주름. 피크는 기본적으로 네 가지 효과에 의해 전압 축을 따라 확대된다 : (1) 레버 팔 (2) 열 확대, 여기 전압 (3) 진폭 및 잠금 증폭기 (4) 출력 필터. 오버레이 모델 곡선 1과 데이터 간의 좋은 합의와 같이 이러한 효과는 모델에 대한 회계 처리하고 있습니다.
그림 4 (a)는 3 (b)에 그림과 유사한 충전 피크 시리즈를 보여줍니다. 이 경우, 샘플은 60 nm의 표면 아래 델타 도핑 층에서 1.25 × 10 16m -2의 면적 밀도와 실리콘 기증자로 도핑 된 갈륨 비소이었다. 높은 불순물 농도 때문에,이 실험의 분광 기능의 대부분은 많은 전자 그룹을 반영합니다. 피크 피팅에 의해 식별됩니다, 노래에 기인하는 것으로 최대의 해석르 전자는 단일 전자의 피크 예상되는 형태와 모양과 크기의 일관성에서 나온다. 단일 전자 봉우리의 소수는 빨간색 화살표로 표시됩니다 중 하나는 실험 2에서 해결되었습니다. 그림 4 (b)와 4 (C)이 피크에 초점을, 그것은을위한 단일 예상 모양이 보여주는 전자 효과. 그림 4의 적합 (c)는 위에서 설명한 피크 확대 효과를 회계 기능을 간직해 반 타원 16. 피크의 중심과 레버 암이 맞는 두 개의 무료 매개 변수가 있습니다. 그림 4에있는 세 개의 CV 곡선 (b)는 같은 기능에 대한 연속 분광 측정합니다. 그림 4의 데이터 분산의 양의 (b)는 전형적인;로이 결과는에서 여러 CV 곡선을하고있는 이유를보다 쉽게 식별 할 수있는 첨단 구조에서, () 그림 4에서 수행됩니다, 함께 여러 곡선을 평균같은 기능은 신호 대 잡음 비율을 개선하기위한 매우 중요합니다.
그림 1. 일반 샘플 회로도. 스캐닝 프로브 단일 전자 정전 용량 실험에 대한 일반적인 샘플 회로도. 샘플은 편견과 여기 전압이 적용되는 표면에서 어떤에 알려진 깊이에서 기본 실시 레이어와 반도체이다. 도펀트의 2 차원 층 표면에서 알려진 깊이도 포함되어 있습니다. 전자는 시스템의 용량을 변경하고 비용에 민감한 장치에 의해 측정되는 팁에서 이미지 충전을 유도, 전도 층과 도펀트 층 사이에 터널입니다. 충분히 높은 바이어스 전압은 도펀트 층과 표면 상태뿐만 아니라, E 사이의 터널 전자를 가능하게STM에 의해 표면에 그들의 발견을 nabling.
그림 2. 현미경 및 충전 감지 장치의 개략도. 번호 5에 설명 참조 12에 따라 앰프 회로도. 장착 칩 램프 13 샘플 (눈금 표시)와 Besocke 설계 14 스캐닝 프로브 현미경의 개략도 자리에 표시됩니다. 선 B는과 지하 도판에서 터널링을 선동하는 데 사용되는 AC의 구동 전압을 포함, 샘플 바이어스 전압을 제공한다. 선 C는 표준 커패시터와 HEMT의 균형을 허용 조정 AC 전압 소스에 연결되어 있습니다. 와이어 L은 D가 유명 만들 저항을 통해 전압 소스에 연결하는 잠금 앰프 용량 신호가 기록되는, 그리고 선에 연결전 압 분배기, 전압 분배기의 출력은 잠금 앰프로 보내지는 신호입니다. 정전 용량을 측정하는 동안, 철사 T는이 경로를 아래로 새는 끝에 AC 충전을 방지하기 위해 큰 저항을 통해 가변 전압 소스에 연결되어 있습니다. (STM) 모드를 터널링에 선 T는 터널링 전류 선 (그 전압 소스 연결로), 선 B는 DC 전압 소스에 연결된 상태로 유지하고 다른 모든 전선은 접지됩니다. 선 D의 전압 분배 저항의 일반적인 선택은 +1.25 V. 표준 용량의 선택은 약 20 FF는 배경 팁 - 샘플 상호 커패시턴스를 방해한다의 선 D에 전압이 100 KΩ입니다. 와이어 T에 바이어스 저항 MΩ (20)의 근처에 있어야합니다. 이러한 선택은 가장 민감한 정권 HEMT 소스 - 드레인 채널의 저항을 조정하는 것을 목표로하고 있습니다.
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그림 3. 수락 도핑 된 실리콘에 SCA 이미지와 CV 분광학 면적 밀도 1.7 붕소 수용체의 층으로 도핑 된 실리콘 시료의 () 스캐닝 충전 축적 이미지 X 10면 1 아래 15m -2있는 15 nm의;. V DC는 = 75 MV, V 여기 = 3.7 MV, 온도했습니다 4.2 K. (B) CV 분광법 (a)는 파란색 점으로 표시의 시점에 취득했다. 피크 구조에 초점을, 배경 라인이 차감되었습니다. 제로의 가장 큰 피크의 중심이되도록 전압 스케일이 이동되었습니다; 더 켈빈 프로브 측정은 절대 전압 규모를 결정하는 것은이 실험 기간 동안 수행되지 않았습니다 때문에,이 오프셋 편의의 문제입니다.
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그림 4. . 기증자 도핑 된 갈륨 비소에 CV 분광 분석 () CV 분광 면적 밀도 1.25 × 10 16의 실리콘 기증자 M 60 nm의 표면이 아래에 -2의 층으로 도핑, 갈륨 비소에 취득한 V 여기 = 15 MV; 온도는 빨간색 화살표는 더 조사 된 피크를 표시 0.3 K.이었다 (b) (a)에서 피크를 중심으로 전압 표시된 피크의 더 자세한 개별 CV 분광 측정,.. V 여기 = 3.8 MV (C) 여러 곡선의 평균 데이터를 (B)에서와 같이. 레버 암, 열, 구동 전압의 진폭 및의 출력 필터 잠금 앰프를 확대 :. 피크를 확대 네 가지 효과를 녹색으로 표시 적합, 계정 의 (b)와 (c) ()를 통해 정전 용량 값으로 변환 C = ΔQ 팁 / V 여기이 수행되지 않았습니다.
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Discussion
이 실험 방법에 대한 이론적 근거에 대한 자세한 설명은 참고 문헌 8, 9에 주어진 및 참조 2 지하 도펀트의 시나리오에 대해 설명합니다, 여기에 제시된 개요 그러므로 간단하고 개념이 될 것입니다. 팁 하나 커패시터의 플레이트, 샘플은 다른 판을 포함하는 기본 실시 레이어로 처리됩니다. DC 전압이 적용되는 경우 등이 전자는 끝을 향해 행진하고 추가 비용을 수용 할 수있는 기본 전도 층과 끝 사이에 위치한 도펀트 원자가가 있다면, 전자는 도펀트를 입력하고 따라서 더 가까이 얻을 팁. 정전기에서이 전자의 운동 팁 반대 부호의 이미지 전하를 유도해야합니다. DC 전압으로 표현되는 정현파 구동 전압 (V 여기)는 전자가 기판 층과 도판 트 사이에서 공진하게됩니다. 결과적으로, 이미지는 W를 충전병도 끌어 들여, HEMT를 이용한 민감한 전하 검출 회로에 의해 검출하고 추가 잠금 앰프로 증폭 AC 신호를 제공. 이 충전 신호는 용량으로 변환 할 수 있습니다.
이 실험의 가장 일반적인 고장 모드는 민감한 충전 감지 할 수 HEMT 회로에 손상을 포함한다. HEMT 게이트가 너무 작기 때문에, 심지어 작은 정전기 축적은 일반적으로 소스 드레인 채널과 게이트 사이의 짧은 형태, HEMT의 오류가 발생할 수 있습니다. HEMT이 단락 경우, 단일 전자 정전 용량 측정을 교체하지 않고 계속할 수 없습니다. 시간의 상당한 금액이 일반적으로 특히 해당 기본 온도 현미경을 냉각에 실험을 준비 소요되기 때문에,이 실험에 사용 HEMT의를 연결하여 하나의 게이트와 소스 - 드레인 채널 부동 결코하도록함으로써 보호되어야한다 이들은 서로 리드 (갔지N 칩에 작은 골드 와이어)를하거나 (동축 와이어 연결 작업을 할 때) 접지로 작동합니다. 별도의 조치가 철처를 단락하거나 책임 트랩을 일으키는를 기준으로 HEMT를 망칠 수 실험자의 사람으로부터도 약한 정전기로, 특히 건조한 날씨에 장착 칩 또는 현미경 하드웨어를 처리하는 동안 접지 스트랩을 착용하여 수행 할 수 있습니다 그것은 아주 안정 결코 같은 방법으로한다. HEMT의 상태에 대한 의심, 하나는 응용 게이트 전압 (종종 "팬"라고도 함)와 소스 - 드레인 특성에 예상되는 변화를 볼 수있는 커브 트레이서를 사용해야합니다.
장착 칩 금 패드의 크기는이 회로에 여분의 용량을 결합하지 않도록 밀리미터보다 작은 성공 와이어 본딩을 허용하도록 충분히 큰 아직 그 제공 매우 중요하지 않습니다. HEMT 또는 팁을 부착하기 전에 테스트 채권 elsew을 수행하는 것이 유용 할 수 있습니다여기에 장착 칩 본딩은 해당 칩에서 작동 할 것으로 예상 할 수있는 방법을 잘 테스트합니다. 장착 칩에 대한 몇 가지 여분의 금 패드를 포함하면 유용 할 칩의 경우 일부 칩에 다른 지역보다 결합이 더 의무가 있습니다. 본딩 프로세스 패드 골드의 견본을 당기는 것 같으면 금속 레이어 규정 된 또는 금 나이가 악화 수 있습니다 전에, 갈륨 비소 칩은 충분히 깨끗되지 않았을 수 있습니다. 와이어 본더에 사용되는 초음파 파워를 낮추면이 경우 도움이 될 수 있습니다.
인듐 솔더 때문에 극저온에서 그것의 좋은 속성의 동축 전선에 금 리드를 연결하는 데 사용됩니다. 마찬가지로, 갈륨 비소 자체는 갈륨 비소 기판 상에 제작 된 HEMT에있는 열 수축에 의한 변형을 일으키는 원인이되는 것을 피하도록 장착 칩을위한 자료로 사용됩니다. 갈륨 비소는 압전 재료이기 때문에, 기판에 기계적 변형의 짧은 필연적 인 실패의 원인이 될 수HEMT.
참고 1과 2의 실험에 사용 된 반도체를 들어, 샘플 표면은 STM으로 시스템을 사용하여 이미지를 만들 수 있습니다. 장치는 STM 모드로 구성 할 때 말하자면, 전자는 실제로 팁에 직접 터널 수 있습니다. 그것은 표면에 팁을 충돌없이 샘플에 가까운 팁을 가지고 할 수있는 방법을 제공하기 때문에 이것은 매우 유용합니다. 몇 볼트에 몇 가지의 순서에 바이어스 전압을 안정적으로 터널링 전류를 설정하는 데 필요합니다. 충분히 높은 바이어스 전압, 요금은 표면 전하의 실시 웅덩이를 형성하는 샘플의 절연 영역에 걸쳐 기본 전도 층에서 가져온 것이다; 끝이 스캔되는이 웅덩이 끝을 따릅니다. 따라서 표면은 단지 표준 STM과 같이 이미지를 만들 수 있습니다. 모드를 터널링 연속 측정을위한 전자가 손상 될 수 있습니다. 예를 들어, 잠재적 인 IMA에 필요한 큰 바이어스 전압에 의해 영향을받을 샘플이 존재GE의 표면 근처의 결함의 가능성 유도, 터널링 모드에서 샘플을 반도체 과도 충전. 이 문제를 해결하려면, 하나는 큰 전압을 제거 할 수 있으며 프로토콜에 설명 된대로, (일반적으로 피드백을 사용하지 않고) 몇 백 나노 미터 떨어진 지역에 끝 오프셋입니다. 또한, 샘플 손상의 존재는 CV 분광법을 수행하거나 켈빈 프로브 측정 2을 수행하여 검출 할 수있다.
실험의 구조는 어떤 특성이 샘플의 개발을 목적으로해야 의미합니다. 지나치게 두꺼운 도펀트 층이 레버 암의 결정에 모호성을 추가하므로 터널의 방향을 따라 도펀트 층의 현지화가 중요합니다. 즉, 도핑 층의 두께는 가까운 하나의 원자 평면으로 할 수 있어야한다. 이 배열은이라고합니다 "델타 도핑." 예를 들어, 참조 1의 실험에서, 도펀트 층은 약 2 nanom했다두께 라 미터.
그 용량 기능을 찾으려면 다 성공 전하 축적 영상 검사는 몇 시간의 순서에 때로는 상당한 양의 시간이 걸릴 수 있습니다. 스캔 속도와 관련하여, 이미지의 각 픽셀은 V 여기의 여러 기간에 비해 시간이 소요될 것, 그리고 출력 필터는 잠금이 앰프 픽셀 당 시간과 거의 같은 값으로 설정해야합니다. 몇 분 STM 검사의 과정을 통해 눈에 띄는 아니었다 현미경 드리프트는 실질적-오래 지속 충전 축적 이미지의 번짐에 기여할 수 있습니다.
터널링 및 정전 용량 실험에 사용 된 것과 동일한 끝은 각각의 측정 메커니즘의 거리 의존성으로 인해 다른 효과적인 모양해야합니다. 터널링은 좋은 근사치에, 거리에 따라 기하 급수적으로 의존하기 때문에, 단 하나의 팁 원자 현의 대부분을 받게됩니다. 따라서 일나노 미터 스케일의 첨단의 전자 모양 정점 기계적으로 안정만큼 대부분 무관하다. SCA 이미징 대조적으로, 끝에서 감지 된 충전 용량으로 인해, 대략 말하기, 그것은 거리와 팁의 높은 부분을 실제로 신호의 상당 부분을받을 수에 반비례한다. 이 팁의 곡률 나노 미터 스케일의 반경 용량 측정 기술에 대한 중요한 의미합니다. 공간 해상도를 손상시키지 않고 신호의 진폭을 극대화하기 위해, 팁 반경은 표면 8,9 아래 도펀트 층의 깊이 약 같아야합니다.
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Disclosures
저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.
Acknowledgments
여기서 설명하는 연구는 양자 과학 미시간 주 대학 연구소와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) DMR-0305461, DMR-0906939 및 DMR-0605801에 의해 지원되었다. KW 교육 GAANN 학제 간 생체 교육 프로그램 친교의 미국학과의 지원을 인정합니다.
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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