Summary
Sonda de barrido espectroscopía capacitancia solo electrón facilita el estudio del movimiento de un solo electrón en regiones bajo la superficie localizados. Un circuito de carga-detección sensible se incorpora en un microscopio de sonda de barrido criogénico para investigar pequeños sistemas de átomos de dopante debajo de la superficie de las muestras de semiconductores.
Abstract
La integración de técnicas de sonda de barrido de baja temperatura y espectroscopia de capacitancia de un solo electrón representa una poderosa herramienta para estudiar la estructura cuántica electrónica de pequeños sistemas - incluyendo dopantes atómicas individuales en los semiconductores. Aquí se presenta un método basado en la capacitancia, conocida como acumulación de carga subsuperficial (SCA) de imágenes, que es capaz de resolver la carga de un solo electrón, mientras que el logro de una resolución espacial suficiente para imagen dopantes atómicas individuales. El uso de una técnica de capacitancia permite la observación de las características del subsuelo, tales como agentes de dopado enterrados muchos nanómetros por debajo de la superficie de un material semiconductor 1,2,3. En principio, esta técnica se puede aplicar a cualquier sistema para resolver movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante.
Al igual que en otras técnicas de escaneado-sonda de campo eléctrico sensibles a la 4, la resolución espacial lateral de la medición depende en parte de la radio de curvature de la punta de la sonda. Utilizando puntas con un pequeño radio de curvatura puede habilitar la resolución espacial de unas pocas decenas de nanómetros. Esta buena resolución espacial permite la investigación de pequeñas cantidades (hasta las) de dopantes subsuelo 1,2. La resolución de carga depende en gran medida de la sensibilidad de la circuitería de detección de carga; utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en dichos circuitos a temperaturas criogénicas permite una sensibilidad de aproximadamente 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K 5.
Introduction
Acumulación de imágenes de carga del subsuelo (SCA) es un método de baja temperatura capaz de resolver los eventos de carga de un solo electrón. Cuando se aplica al estudio de los átomos de dopante en los semiconductores, el método puede detectar electrones individuales que entran en átomos donantes o aceptor, permitiendo la caracterización de la estructura cuántica de estos sistemas minutos. En su corazón, SCA formación de imágenes es una medición de la capacidad local de 6 bien adaptado para la operación criogénica. Debido a que la capacitancia se basa en el campo eléctrico, que es un efecto de largo alcance que puede resolver de carga por debajo de las superficies de aislamiento 6. Operación criogénica permite la investigación de movimiento de un solo electrón y el espaciamiento nivel cuántico que serían irresolubles en la sala de temperatura de 1,2. La técnica se puede aplicar a cualquier sistema en el que movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante es importante, incluyendo la dinámica de carga de electrones en sistemas de dos dimensiones en las interfaces enterrados 7; por razones de brevedad, el enfoque aquí será en estudios de agentes de dopado de semiconductores.
En el nivel más esquemática, esta técnica trata a la punta escaneada como una placa de un condensador de placas paralelas, aunque el análisis realista requiere una descripción más detallada para tener en cuenta la curvatura de la punta de 8,9. La otra placa en este modelo es una región a nanoescala de la capa conductora subyacente, como se muestra en la Figura 1. Esencialmente, como una carga entra en un dopante en respuesta a una tensión de excitación periódica, que se acerca a la punta; este movimiento induce más carga imagen en la punta, que se detecta con el circuito del sensor 5. Del mismo modo, como la carga sale del dopante, se disminuye la carga de la imagen en la punta. Por lo tanto la señal de carga periódica en respuesta a la tensión de excitación es la señal detectada - esencialmente es la capacitancia, por lo que esta medida se conoce como la determinación de las características del sistema de CV a menudo.
tienda de campaña "> Durante la medición de capacitancia, la única red de túnel es entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado -. túneles de carga nunca directamente sobre la punta La falta de un túnel directo hacia o desde la punta durante la medición es una diferencia importante entre este y la técnica de escaneo más familiarizados microscopía de efecto túnel, aunque gran parte del hardware para este sistema es esencialmente idéntica a la de un microscopio de efecto túnel. También es importante tener en cuenta que SCA formación de imágenes no es directamente sensible a las cargas electrostáticas. Para las investigaciones de carga estática distribuciones, escaneo de microscopía de sonda Kelvin o microscopía de fuerza electrostática es apropiado métodos criogénicos adicionales para examinar el comportamiento existe electrónica local, que también tienen una buena resolución electrónica y espacial;. por ejemplo, microscopía transistor de un solo electrón es otro método de sonda de barrido capaz de detectar los minutos de carga efectos 4,10. SCA imagen fue originalmentedesarrollado en el MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, y los compañeros de trabajo 7, por otra parte, el método descrito aquí puede ser considerado como una versión de sonda de barrido del método Espectroscopía de la capacitancia de un solo electrón desarrollado por Ashoori y compañeros de trabajo 11. Un elemento clave de la medición es un circuito de carga-detección exquisitamente sensible 5,12 utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), sino que puede lograr un nivel de ruido tan bajo como 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K, la temperatura de base del criostato en referencia 5. Esta alta sensibilidad permite la observación de la carga de un solo electrón en sistemas subterráneos. Este método es adecuado para el estudio de la dinámica de electrones o un agujero de grupos individuales o pequeñas de dopantes en semiconductores, típicos con densidades de área dopantes en el orden de 10 15 m -2 en una geometría plana 2. Un ejemplo de una configuración de ejemplo típico de este tipo de experimento se muestra en la Figura 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOLO
- La configuración inicial del microscopio y de la electrónica
- Comience con un microscopio de sonda de barrido criogénica con capacidad de la electrónica de control asociados. Los microscopios utilizados para la investigación que se describe aquí utiliza la traducción de inercial a "caminar" la muestra hacia y lejos de la punta a lo largo de las rampas 13 (hecho de un material conductor tal como cobre, latón o acero inoxidable para que puedan transmitir tensión de polarización a la de la muestra) como parte de un STM diseño Besocke 14, que se muestra esquemáticamente en la Figura 2.
- Además de la tensión de polarización y la construcción de túneles cables coaxiales actuales, proporcionar al menos otros dos cables coaxiales y un cable de tierra que se extienden desde el bastidor electrónica a cerca de la zona de la punta del microscopio con el fin de operar el circuito amplificador criogénico para la detección sensible a la carga. Montar los elementos del circuito amplificador, se describe en detalle en las referencias 5, 12, y 15, que están alojados en el correolectronics bastidor, lo que es la parte del circuito fuera del área sombreada en la figura 2. Esta parte del circuito permanecerá a temperatura ambiente durante todo el experimento.
- Montar el chip de montaje para la punta y el circuito HEMT (caja sombreada en la Figura 2); el circuito HEMT se reducirá a temperatura criogénica para obtener una resolución óptima de energía.
- Cleave un chip cuadrado dimensionado aproximadamente 1 cm x 1 cm de una oblea de GaAs usando un escriba; el circuito del sensor y la punta se montarán en este chip. Depósito de aproximadamente 100 nm de oro encima de una capa de pegado de titanio a través de una máscara de sombra en el chip de GaAs para formar varias almohadillas de oro, cada uno de tamaño de aproximadamente 1 mm x 1 mm, a la que los cables de la HEMT y resistencia de polarización se pueden unir. Las dimensiones de las pastillas no son críticos.
- Prepare una punta afilada STM cortando mecánicamente un 80:20 Pt: Alambre Ir con corte diagonal. La punta se puede preparar también por ataque químico or otro método o se puede comprar en el mercado. Determinar el radio de curvatura de la punta a través de microscopía electrónica de barrido, el radio de curvatura debe ser del orden de la resolución espacial necesaria para el experimento.
- Epoxi un alambre de oro en cada una de las almohadillas de oro utilizando resina epoxídica conductora capaz de resistir temperaturas criogénicas; estos cables estarán conectados los elementos del circuito en el chip de montaje para los cables coaxiales en el microscopio. Dado que los hilos de oro se pueden quitar fácilmente después de que el siguiente paso si no se necesitan, epoxi unos alambres de oro redundantes en las almohadillas. Epoxi el HEMT, la resistencia de polarización, y la punta del STM en los chips de GaAs de montaje. Curar el epoxi como se indica en la hoja de información del producto. (Ver la tabla de materias a continuación para obtener más detalles.)
- El uso de un dispositivo de unión de alambre cargado con hilo de oro, enlace la fuente, drenaje y elementos de puerta de los HEMT para separar almohadillas de oro en el chip de GaAs. Cables temporales enlace que conecta la puerta y la fuente or almohadillas de drenaje para asegurar la puerta no se cargan con respecto al canal de origen de la fuga. Utilice una correa de conexión a tierra para mayor seguridad mientras está maniobrando el HEMT, es importante tomar precauciones para evitar la introducción de cargas estáticas callejeros que podrían destruir la HEMT.
- Almacenar el chip de montaje preparada con los cables conectados a la puerta y para el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados eléctricamente entre sí para evitar un cortocircuito en la HEMT. Si se han eliminado los cables temporales mencionados en el paso anterior, gire suavemente los cables juntos. Es más sencilla de conectar todos los cables entre sí.
- Coloque el chip de montaje para el microscopio.
- Asegúrese de que los canales de compuerta y la fuente-drenaje nunca son flotante; esto es para evitar cortocircuitos destructivas entre los canales de compuerta y la fuente-drenaje de la HEMT. A tierra de los cables coaxiales en el microscopio a la que se sueldan los cables desde el chip.
- Coloque el chip de montaje encima de tque piezotube de barrido, como se muestra en la Figura 2.
- Soldar los alambres de oro que se extienden desde el chip de montaje para los cables coaxiales pertinentes utilizando soldadura de indio.
- Comprobar la integridad de la HEMT utilizando un trazador de curvas conectado a los cables coaxiales en el bastidor de la electrónica. Esencialmente, el trazador de curvas muestra la fuente de la fuga de las características corriente-tensión. El modo de fallo más común es un corto entre la puerta HEMT y su canal de fuente-drenaje, lo que resulta en características de fuente-drenaje que son insensibles a la tensión de puerta.
- Montar la muestra. Entra en rango con el microscopio configurado en el modo de STM para asegurar que la muestra se acercará con éxito la punta.
- Conecte el cable de T para el preamplificador usado para STM túnel mediciones de corriente y conectar DC tensión de polarización V DC al cable B. (Todas las conexiones se realizan en el bastidor de la electrónica.)
- Camine hasta que la muestra y la punta están en el rango de túnel. Cuando en la ARENS, la piezotube exploración debe permanecer extendido ligeramente de su posición de equilibrio para que la conexión a tierra del piezotube exploración hará que la punta se retraiga de su extensión en el alcance. Esto verifica que la muestra puede acercarse con éxito la punta. Caminar fuera de rango después de hacer esto, para proteger la punta durante las próximas acciones.
- Transferir el microscopio de la mesa de trabajo de laboratorio para el dewar para funcionamiento a baja temperatura posible. En este punto, la fase de prueba se ha completado y la fase experimental puede comenzar.
- Bombear el microscopio a un vacío de unos pocos microtorr. Enfriar el microscopio a 4,2 K o abajo para la resolución óptima de energía, siguiendo el procedimiento descrito en el manual para el criostato.
- Después de enfriar el microscopio a su temperatura de base, permite el tiempo suficiente microscopio para alcanzar el equilibrio térmico; ya que se pueden realizar repetidas largas, las exploraciones de la misma área, es importante para minimizar la deriva térmica. (Drift esun cambio en la posición de equilibrio de la punta con respecto a la muestra).
- Suspender el dewar para aislar el microscopio tanto como sea posible de las vibraciones debidas al acoplamiento mecánico para la construcción y para las bombas de vacío y otros dispositivos conectados al microscopio y Dewar. Esto se puede hacer usando un sistema de suspensión cuerda elástica, que en la Referencia 15, o mediante el uso de cámaras de aire o un método similar.
- Después de enfriar el microscopio y antes de intentar la recogida de datos, verificar la integridad de la HEMT de nuevo usando el trazador de curvas.
- Analizar la muestra en el modo de efecto túnel (STM).
- Entra en rango. Localice una región de la superficie de la muestra que esté libre de escombros y de altura considerable o variaciones de conductividad, y asegúrese de que la punta es estable.
- Corregir cualquier inclinación de la muestra, lo que es especialmente importante porque las exploraciones de capacitancia se realizaron con el bucle de realimentación desactivada, por lo tanto la punta podría chocar contra la superficie si el scannING avión no es paralela a la superficie de la muestra. En principio, se podría usar la señal de capacitancia de retroalimentación para mantener una capacidad constante durante la exploración de la punta, sin embargo, en la práctica, la señal no es lo suficientemente robusta como para evitar un accidente si se utiliza la retroalimentación.
- Observe cualquier deriva térmica de modo que pueda ser compensado mediante el reposicionamiento de la punta compensado. Tenga en cuenta la cantidad de extensión de la punta, mientras que en el rango en el modo de túnel, denominado en el presente Protocolo como el punto de contacto.
- Vaya a un área no perturbada de la muestra, uno que no ha sido explorado en modo STM.
- Desactivar el bucle de realimentación en el controlador de STM. Recordemos que cuando el bucle de realimentación se desactiva, los movimientos manuales de la punta inadvertidamente podría causar un accidente. Por lo tanto, mucho cuidado debe ser tomado mientras se mueve la punta.
- Retirar la punta de unas pocas decenas de nanómetros desde el punto de contacto.
- Desplazamiento de la posición lateral de la punta de un área cercana de la muestra WHIch hace poco no se ha escaneado, para evitar cualquier perturbación (como la carga de los sitios de dopantes semiconductores) la tensión de polarización requerida para habilitar el túnel a través de la muestra de semiconductor para la exploración STM puede haber inducido.
- Cautelosamente extender la punta hacia la superficie hasta que el desplazamiento de la punta de la extensión de equilibrio está cerca en magnitud al punto de contacto.
- Cambie la configuración del cableado al modo de capacitancia.
- Conecte a tierra todos los cables coaxiales para proteger el HEMT.
- Conectar los cables coaxiales a las fuentes de tensión y resistencias pertinentes y para el amplificador de bloqueo y el generador de funciones, como se muestra en la Figura 2.
- Encienda todas las fuentes de tensión. Para evitar escandalizar a la HEMT, comience con salidas de fuente de tensión a 0 V.
- Sin moler los cables coaxiales, recordando para mantener la puerta y el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados entre sí tanto como sea posible con el fin de proteger el HEMT.
- Ajuste el vfuente oltaje en la resistencia de divisor de tensión (cable D).
- Sintonice el HEMT de su región más sensible al monitorear el voltaje a través de cable de L con un multímetro mientras ajusta V melodía. Vuelva a colocar alambre de L al amplificador lock-in después.
- Aumentar V sintonía hasta que la señal en fase en la cerradura-en incrementos amplificador y comienza a estabilizarse, registrar este valor de V melodía, que es la tensión aplicada a la punta. Esto permite que toda la carga de la medición para ir a la HEMT en lugar de fugas a través de alambre de L.
- Optimice la fase interna del amplificador lock-in con su capacidad Autophase y registrar el valor de fase.
- Espere a que el HEMT de estabilizar para asegurar que no hay efectos térmicos significativos (esto a menudo tarda hasta dos horas).
- Equilibrar el HEMT ajustando la señal en el condensador estándar para asegurar que sólo la señal de interés va al amplificador lock-in. Los ajustes de la señal en lacondensador estándar se puede hacer ya sea a la amplitud de equilibrio V o a la fase relativa entre el balance de V y V de excitación. El HEMT se considera equilibrado cuando la señal en fase en el amplificador de bloqueo se reduce al mínimo en este paso del procedimiento.
- Realizar análisis de imágenes de acumulación de carga.
- Ajuste el voltaje de polarización de CC V CC en la muestra.
- Extienda la punta dentro de 1 nm de la superficie, utilizando el punto táctil como referencia.
- Registre la salida del amplificador lock-in con el software de adquisición de datos, lo que es la señal de interés.
- Busque en la muestra. Para obtener una buena resolución, pueden necesitar ser adquirida a razón de varias horas por escaneo para permitir suficiente promediado de señal para cada píxel y para evitar manchas de la señal entre los píxeles adyacentes de la imagen de las exploraciones. Realizar varios análisis sobre la misma área, y éstos promedio escanea en conjunto para mejorar la relación señal-a-ruido.
- Realizar capacitancia espectroscopia (CV) con la punta estacionaria por encima de una característica del subsuelo de interés en la imagen de la acumulación de carga adquirida durante el paso anterior.
- Rampa V CC y grabar la salida del amplificador lock-in usando el software de adquisición de datos.
- Tome varias curvas de capacitancia vs voltaje (CV) en el mismo lugar, y el promedio de estas curvas en conjunto para mejorar la relación señal-ruido. Típicamente, unas curvas se promedian en conjunto. Mientras que las curvas promedio de mejora de la relación señal-a-ruido, debido a la posibilidad de deriva durante los análisis, sólo un puñado de exploraciones sucesivas debe promediarse juntas.
- Vuelva al modo de efecto túnel (STM).
- Retirar la punta de su extensión equilibrio y volver a configurar el sistema electrónico de STM. Vuelva a habilitar el bucle de realimentación y registrar la pre-rango de extensiones de la punta (punto de contacto).
- Explore el área de modo de túnel para buscar características en la parte superiorgrafía que pueden haber artefactos en la imagen de la capacitancia y la espectroscopia de capacitancia.
- Analizar e interpretar los datos, después de Referencia 9 y la información de apoyo en la Referencia 1.
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Representative Results
El principal indicador de medición de éxito es la reproducibilidad, tanto como en otros métodos de sonda de barrido. Las medidas repetidas son muy importantes por esta razón. Para la espectroscopia de capacitancia punto, teniendo muchas mediciones en sucesión en la misma ubicación ayuda a aumentar la relación señal-a-ruido e identificar señales espurias.
Una vez que una característica de interés se ha identificado dentro de la imagen de acumulación de carga y la espectroscopia de capacitancia se ha realizado, la interpretación de los datos CV comienza por determinar el brazo de palanca de tensión. El brazo de palanca de tensión es el factor de escala en relación el potencial real en la ubicación de la dopante a la aplicada V CC. En esencia, representa la distancia cero de la punta de la capa de dopante y para cualquier desplazamiento de la impureza de la posición directamente debajo de la punta lateral. El brazo de palanca de tensión se encuentra ajustando una función de Lorentz a la CV espectroscopia de datos de 1,8 </ Sup>. Si se desea una escala de tensión absoluta, el potencial de contacto (tensión a la que no hay líneas de campo eléctrico de la muestra terminan en la punta) debe ser determinado a través de una sonda de medición 1,2,3,7 Kelvin.
La Figura 3 (a) muestra un ejemplo de una imagen de la acumulación de carga con CV espectroscopía adquirido en el punto indicado. La muestra fue de silicio, dopado con boro aceptores con una densidad superficial de 1,7 x 10 15 m -2 en una capa de delta-dopado 15 nm por debajo de la superficie. Colores más brillantes indican un aumento de la carga. Los puntos brillantes se interpretan como que marca la ubicación de átomos de boro del subsuelo individuales. El punto azul indica un punto brillante en particular donde el punto CV se realizó espectroscopia de 1, como se muestra en la Figura 3 (b). El mayor pico se interpreta que se carga entrando en el dopante directamente debajo de la punta. Picos cercanos son debido a dopantes cercanas. Sus centros se desplazan y amplitudes deaumentado con respecto al pico principal debido a que el aumento de la distancia de estos dopantes de la punta cambia sus parámetros de brazo de palanca. Los picos se ensanchan a lo largo del eje de voltaje esencialmente por cuatro efectos: (1) el brazo de palanca, (2) la ampliación térmica, (3) la amplitud de la tensión de excitación, y (4) el filtro de salida del amplificador lock-in. Estos efectos se tienen en cuenta en el modelo, como lo demuestra el buen acuerdo entre la curva del modelo superpuesto 1 y los datos.
Figura 4 (a) muestra una serie de picos de carga, similar a la figura 3 (b). En este caso, la muestra fue de GaAs, dopados con los donantes de silicio con una densidad de área de 1,25 x 10 16 m -2 en una capa de delta-dopado 60 nm por debajo de la superficie. Debido a la alta densidad de dopante, la mayoría de las características espectroscópicas en este experimento reflejan grupos de muchos electrones. Los picos se identifican mediante el ajuste, la interpretación de un pico atribuible a un cantarle electrónica se debe a su consistencia en la forma y magnitud de la forma esperada de un pico de un solo electrón. Un puñado de picos de un solo electrón se resolvieron en este experimento 2, uno de los cuales está indicado por la flecha roja. Figura 4 (b) y 4 (c) se centran en este pico, demostrando que tiene la forma esperada para un solo- efecto de electrones. El ajuste en la Figura 4 (c) es una media elipse 16 convolucionada con las funciones que representan los efectos de pico ampliación descritas anteriormente. Este ajuste tiene dos parámetros libres: el centro del pico y el brazo de palanca. Las tres curvas CV en la Figura 4 (b) son medidas de espectroscopia secuenciales en la misma característica. La cantidad de dispersión en los datos de la figura 4 (b) es típico, promediando varias curvas en conjunto, como se hace en la Figura 4 (a), los resultados en la estructura pico más fácilmente identificable, por lo que haciendo múltiples curvas CV en elmisma característica es muy importante para la mejora de la relación señal-a-ruido.
Figura 1. Esquema de una muestra típica. Esquema de una muestra típica de barrido con sonda de capacitancia experimentos de un solo electrón. La muestra es un semiconductor con una capa conductora subyacente a una profundidad conocida de la superficie a la que se aplican los voltajes de polarización y de excitación. Una capa de dos dimensiones de dopantes está incrustado, también a una profundidad conocida de la superficie. Los electrones túnel entre la capa conductora y la capa de agente de dopado, el cambio de la capacitancia del sistema y la inducción de una carga imagen en la punta que se mide por el aparato de carga-sensible. Un voltaje suficientemente alto sesgo permitirá electrones para hacer un túnel entre la capa de dopante y un estado de la superficie, así, enabling su detección en la superficie por STM.
Figura 2. Esquema del microscopio y de carga-detección aparato. Esquema de conexiones para el amplificador se describe en la referencia 5 y sobre la base de referencia 12. Chip de montaje se muestra en su lugar en un esquema de un diseño Besocke-14 microscopio de barrido de la sonda con rampas 13 y de muestra (no a escala). Cable B proporciona la tensión de polarización de la muestra, incluyendo el voltaje de excitación de CA se utiliza para incitar túnel desde y hacia dopantes subsuelo. Alambre C está conectado al condensador estándar y la fuente de voltaje de CA sintonizable que permite el equilibrio de la HEMT. Alambre de L se conecta al amplificador lock-in de la que se graba la señal de capacitancia, y de conductores D se conecta a una fuente de voltaje a través de una resistencia para crear avdivisor de oltaje; la salida del divisor de tensión es la señal enviada al amplificador lock-in. Durante las mediciones de capacitancia, alambre de T se conecta a una fuente de tensión ajustable a través de una resistencia grande para evitar carga de la CA en la punta de fugas de esta ruta. En efecto túnel (STM) modo, alambre de T se convierte en el cable de corriente de efecto túnel (con su fuente de tensión desconectada), alambre de B permanece conectado a una fuente de voltaje de CC, y todos los demás cables están conectados a tierra. Una opción típica de la resistencia divisor de tensión en el cable D es de 100 kW con una tensión en el cable D de 1,25 V. La elección de capacitancia estándar debe contrarrestar la punta-muestra de fondo capacitancia mutua, que es aproximadamente 20 y ss. La resistencia de polarización en el alambre T debe estar en la vecindad de 20 mW. Estas opciones tienen por objeto ajustar la resistencia del canal de la fuente-drenaje HEMT a su régimen más sensible.
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Figura 3. SCA de imagen y CV Espectroscopia en Aceptador dopado con Si (a) exploración de la imagen de acumulación de carga de una muestra de silicio dopado con una capa de aceptores de boro de densidad superficial 1,7 x 10 15 m 15 nm -2 situados debajo de la superficie 1;. V CC = 75 mV, V de excitación = 3,7 mV; La temperatura era de 4,2 K. (b) espectroscopía de CV adquirió en el punto en (a) indicada por el punto azul. Para centrarse en la estructura del pico, se restó una línea de fondo. La escala de tensión se ha cambiado, de modo que el cero es el centro del pico más grande, ya que no Sonda de medida de Kelvin se realiza durante este experimento para determinar la escala de tensión absoluta, este desplazamiento es una cuestión de conveniencia.
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La Figura 4. . CV Espectroscopia Análisis en donantes dopados con GaAs (a) espectroscopia de CV adquirió en GaAs, dopado con una capa de donantes de silicio de densidad de área 1.25 x 10 16 m 60 nm -2 situado debajo de la superficie 2; excitación V = 15 mV; la temperatura era de 0,3 K. La flecha roja marca un pico que se investigó más (b) mediciones de espectroscopia CV individuales más detalladas del pico indicado en (a) con la tensión de centrado en el pico;.. V de excitación = 3,8 mV (c) Los datos promediados de las múltiples curvas que se muestran en (b). El ajuste, que se muestra en verde, cuentas para cuatro efectos que amplían el pico: el brazo de palanca, la ampliación térmica, la amplitud de la tensión de excitación, y el filtro de salida del amplificador lock-in. En (b) y (c) (a), la conversión a un valor de capacitancia a través de C = ΔQ punta / V de excitación no se ha hecho.
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Discussion
Una explicación detallada de la base teórica de este método experimental se dan en las referencias 8 y 9 y discutido con respecto al escenario de dopantes del subsuelo en la Referencia 2; la información general que aquí se presenta por lo tanto, ser breve y conceptual. La punta se trata como una placa de un condensador, y la capa conductora subyacente a la muestra comprende la otra placa. Si se aplica la tensión de CC de modo que los electrones son atraídos hacia la punta, y si hay un átomo de dopante situada entre la capa conductora subyacente y la punta que puede acomodar un cargo adicional, entonces el electrón se entran en el dopante y por lo tanto se acercan a la punta. A partir de la electrostática, el movimiento de este electrón debe inducir una carga imagen del signo opuesto en la punta. La tensión de excitación sinusoidal (V excitación) que se resume en la tensión de CC hará que el electrón a resonar entre la capa de sustrato y el dopante. A su vez, la imagen cobra wenferma también resuenan, dando una señal de CA que es detectada por el circuito de carga-detección sensible a la utilización de la HEMT y se amplifica aún más con un amplificador lock-in. Esta señal de carga luego se puede convertir en una capacitancia.
El modo de fallo más común de este experimento implica daño al circuito HEMT que permite la detección sensible a la carga. Desde la puerta HEMT es tan pequeña, incluso una pequeña acumulación de carga estática puede causar un fallo de la HEMT, por lo general en la forma de un cortocircuito entre el canal de la fuente-drenaje y la puerta. Si un HEMT está en cortocircuito, la medición de la capacidad de un solo electrón no puede continuar sin reemplazarlo. Dado que una cantidad apreciable de tiempo se dedica generalmente en la preparación del experimento, en particular en el enfriamiento del microscopio hacia abajo a su temperatura de base, HEMT utilizados para estos experimentos deben ser protegidos por asegurar que los canales de compuerta y la fuente-drenaje nunca son flotante, ya sea conectando estos cables entre sí (When trabaja con los pequeños hilos de oro en el chip) o por ellos (cuando se trabaja con las conexiones de los cables coaxiales) de puesta a tierra. Precauciones adicionales se pueden tomar con el uso de una correa de conexión a tierra al manipular el chip de montaje o el hardware microscopio, sobre todo en tiempo seco, como la electricidad estática, incluso leve de una persona del experimentador puede arruinar un HEMT ya sea por pura y simple en corto ni al hacer que atrapar cargos de tal manera que nunca se estabiliza. En caso de duda acerca de la salud de la HEMT, se debe utilizar un trazador de curvas para buscar las variaciones esperadas de las características de la fuente-drenaje con tensión de puerta aplicada (a menudo llamado el "fan").
Las dimensiones de las pastillas de oro en el chip de montaje no son de gran importancia, siempre que sean lo suficientemente grandes como para permitir la unión de alambre con éxito, sin embargo, mucho más pequeño que un milímetro de acoplamiento para evitar el exceso de capacitancia para el circuito. Antes de fijar el HEMT o la punta, puede ser útil hacer una prueba de adhesión DISCRETOaquí en el chip de montaje para poner a prueba lo bien que se puede esperar de unión para trabajar en ese chip. Incluye unos cojines de oro adicionales en el chip de montaje también puede ser útil en caso de que parte del chip es más susceptible a la unión de otras regiones en el chip. Si el proceso de unión parece estar tirando de muestras de oro fuera de la almohadilla, el chip de GaAs puede no haber sido suficientemente limpia antes de que se establecen las capas de metal hacia abajo o el oro puede haberse deteriorado con la edad. La disminución de la potencia ultrasónica utilizada en el dispositivo de unión de alambre puede ser útil en este caso.
Indio de soldadura se utiliza para unir los cables de oro a los cables coaxiales, debido a sus buenas propiedades a temperaturas criogénicas. Del mismo modo, GaAs se utiliza como el material para el chip de montaje para evitar causar una deformación térmica-contracción inducida en el HEMT, que se fabrica en sí sobre un sustrato de GaAs. Desde GaAs es un material piezoeléctrico, una tensión mecánica sobre el sustrato podría provocar un fallo en el corto y la consiguienteHEMT.
Para los semiconductores utilizados en los experimentos en las referencias 1 y 2, la superficie de la muestra podría ser reflejado mediante el uso del sistema como un STM. Es decir, los electrones podrían en efecto túnel directamente sobre la punta cuando el aparato se ha configurado en el modo de STM. Esto es muy útil, ya que proporciona una forma de llevar la punta cerca de la muestra sin que se caiga la punta en la superficie. Se necesita una tensión de polarización del orden de unos pocos a varios voltios para establecer una corriente túnel estable. Con un voltaje suficientemente alto sesgo, los cargos serán retirados de la capa conductora subyacente en todas las regiones aislantes de la muestra para formar un charco realizar de forma gratuita en la superficie, lo charco seguirá el consejo que se explora la punta. Por lo tanto la superficie se pueden obtener imágenes al igual que en STM estándar. El modo de túnel puede causar daños electrónico para mediciones posteriores. Por ejemplo, existe la posibilidad de la muestra a ser afectados por los grandes voltajes de polarización necesarias para IMAge un semiconductor de la muestra en el modo de túnel, posiblemente la inducción de carga transitoria de defectos cerca de la superficie. Para solucionar esto, se puede eliminar la gran tensión y el desplazamiento de la punta a una región de varios cientos de nanómetros de distancia (normalmente sin el uso de realimentación), como se describe en el protocolo. Alternativamente, la presencia de daños en la muestra se puede detectar mediante la realización de la espectroscopia de CV o haciendo un Kelvin sonda de medición 2.
La geometría del experimento implica ciertas características deben ser dirigidos para el desarrollo de la muestra. La localización de la capa de agente de dopado a lo largo de la dirección de túnel es importante, como una capa de agente de dopado excesivamente gruesa será añadir ambigüedad a la determinación del brazo de palanca. En otras palabras, el espesor de la capa de dopante debe estar tan cerca como sea posible a un solo plano atómico. Esta disposición se conoce como "dopaje delta." Por ejemplo, en el experimento en la Referencia 1, la capa de agente de dopado fue de aproximadamente 2 nanomtros de espesor.
Imágenes por resonancia magnética de acumulación de carga exitosos hecho para localizar características capacitivas de interés pueden tener una cantidad sustancial de tiempo, a veces del orden de varias horas. Con respecto a la velocidad del análisis, cada píxel de la imagen debe tener una cantidad de tiempo comparable a varios períodos de V de excitación, y el filtro de salida del amplificador de bloqueo debe ser ajustado a aproximadamente el mismo valor que el tiempo por píxel. Deriva en el microscopio que no se notaba en el transcurso de una exploración STM-pocos minutos puede contribuir a las manchas de las imágenes de acumulación de carga sustancialmente mayor duración.
La misma punta se utiliza para hacer un túnel y para experimentos de capacitancia tendrá una forma efectiva diferente debido a la dependencia de la distancia de los mecanismos de medición respectivos. Desde túnel depende exponencialmente de la distancia, con una buena aproximación, un solo átomo de la punta recibirá la mayor parte de la corriente. Por lo tanto the forma de la punta en la escala nanométrica es mayormente irrelevante, siempre y cuando el ápice es mecánicamente estable. En SCA formación de imágenes, por el contrario, la carga detectada en la punta es debido a la capacitancia; hablando en términos generales, que es inversamente proporcional a la distancia y las porciones más altas de la punta de hecho puede recibir una fracción significativa de la señal. Esto significa que el radio de escala nanométrica de curvatura de la punta es relevante para las técnicas de medición de capacitancia. Para maximizar la amplitud de la señal sin comprometer la resolución espacial, el radio de la punta debe ser aproximadamente igual a la profundidad de la capa de agente de dopado por debajo de la superficie de 8,9.
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Disclosures
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Acknowledgments
La investigación discutido aquí fue apoyada por el Instituto Estatal de Michigan Universidad de Ciencias de Quantum y la Fundación Nacional para la Ciencia DMR-0305461, DMR-0906939, y DMR-0605801. KW reconoce el apoyo de un Departamento de Educación GAANN Interdisciplinario Bioelectronics beca del Programa de Formación EE.UU..
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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