Tarama-prob Tek elektron Kapasite Spektroskopisi

Summary

Tarama-prob tek elektron kapasite spektroskopisi lokalize yeraltı bölgelerde tek elektron hareket çalışma kolaylaştırır. Hassas bir şarj-algılama devre yarıiletken numune yüzeyinin altında dopant atomların küçük sistemleri araştırmak için bir kriyojenik tarama prob mikroskobu içine dahil edilmiştir.

Abstract

Yarı iletkenler tek tek atom dopants dahil olmak üzere - düşük sıcaklık tarama-probu teknikleri ve tek elektron kapasite spektroskopisi entegrasyonu küçük sistemlerin elektronik kuantum yapısını incelemek için güçlü bir araç temsil eder. Burada görüntü bireysel atom dopants için yeterli uzaysal çözünürlüğü elde ederken tek elektron şarj çözme yeteneğine sahip olan Yeraltı Şarj Birikim (SCA) görüntüleme, olarak bilinen bir kapasite-tabanlı bir yöntem sunuyoruz. Bir kapasite tekniğin kullanılması gibi bir yarı iletken malzeme ^1,2,3 yüzeyinin altında birçok nanometre gömülü dopants gibi yeraltı özellikleri, gözlem sağlar. Prensip olarak, bu teknik, bir yalıtım yüzeyi altında elektron hareket çözmek için herhangi bir sisteme uygulanabilir.

Diğer elektrik alan-duyarlı bir taranmış-prob teknikleri ⁴ de olduğu gibi, ölçüm yanal uzaysal çözünürlüğü curvatur yarıçapı üzerinde kısmen bağlıdırprob ucunun e. Eğrilik küçük yarıçaplı ipuçlarını kullanarak nanometre birkaç onlarca uzaysal çözünürlüğü etkinleştirebilirsiniz. Bu iyi uzaysal çözünürlüğü yeraltı dopants ^1,2 az sayıda incelenmesi (aşağı birine) sağlar. Şarj çözünürlük ücret belirleme devresinin duyarlılığı büyük ölçüde bağlıdır; kriyojenik sıcaklıklarda bu devrelerde yüksek elektron hareketliliğine sahip transistör (HEMT) kullanarak yaklaşık 0.01 elektron / Hz bir duyarlılık sağlayan ^½ 0,3 K ^5..

Introduction

Yer altı yük birikiminin (SCA) görüntüleme tek elektron şarj olaylar çözme yeteneğine sahip bir düşük sıcaklıkta bir yöntemdir. Iletkenlerde dopant atomlu çalışma uygulandığında, bu yöntem bu dakika sistemlerin kuantum yapısı karakterizasyonu izin veren, donör ve akseptör atomuna giren tek elektron algılayabilir. Onun kalbinde, SCA görüntüleme yerel bir kapasite ölçüm ⁶ kriyojenik çalışma için çok uygundur. Kapasite elektrik alan dayalı olduğu için, bu yüzeylerde ⁶ yalıtım altında şarj çözebilirsiniz uzun menzilli etkisidir. Kriyojenik işlem oda sıcaklığında ^1,2 de çözümlenemeyen olacağını tek elektron hareket ve kuantum seviyesinde boşluk soruşturma izin verir. Bu teknik, gömülü arayüzleri ⁷ az iki boyutlu elektron sistemleri olan dolum dinamikleri dahil olmak üzere bir yalıtım yüzeyi altında elektron hareket önemli olduğu herhangi bir sisteme uygulanabilir; kısalık için, Burada odak yarı iletken güçlendiricilerin çalışmaları olacak.

Gerçekçi analizi ucu ^8,9 eğriliği açıklamak için daha ayrıntılı bir açıklama gerektirir rağmen en şematik düzeyde, bu teknik, bir paralel plakalı kondansatör bir tabak olarak taranan ucu davranır. Şekil 1 'de gösterildiği gibi, bu modeldeki diğer levha, altta yatan iletken tabakanın bir nano ölçekli bir bölgedir. Bir ücret periyodik bir uyarma gerilimi yanıt olarak bir dopant girerken Esasen, bu ucuna yaklaştıkça, bu hareket sensörü devresi ⁵ ile tespit edilir ucunda, üzerinde daha fazla görüntü şarj neden olur. Benzer şekilde, şarj çıkar dopant olarak, ucunda görüntü ücret azalır. Dolayısıyla, uyarma gerilimine yanıt olarak, periyodik olarak şarj sinyali tespit edilen sinyalin - esas olarak bu kapasite olup, bu nedenle bu ölçüm genellikle sistemin CV özelliklerinin belirlenmesi olarak adlandırılır.

çadır "> kapasitans ölçümü sırasında, sadece net tünel temel iletken ve dopant tabakası arasında -. doğrudan ucuna şarj asla tüneller ölçüm sırasında veya ucundan tünel doğrudan eksikliği bu arasında önemli bir fark teknik ve daha tanıdık tarama tünelleme mikroskobu, her ne kadar çok bu sistem için donanım taramalı tünelleme mikroskobu bu esasen aynıdır. Bu SCA görüntüleme statik yük doğrudan duyarlı değildir dikkat etmek de önemlidir. statik yük incelenmesi için dağılımları, Kelvin prob mikroskobu veya elektrostatik kuvvet mikroskobu tarama uygun da iyi elektronik ve mekansal çözünürlüğe sahip yerel elektronik davranış var incelenmesi için ek kriyojenik yöntemler;. örneğin, tek elektron transistör mikroskobu şarj dakika tespit yeteneğine sahip başka bir tarama probu yöntemdir SCA görüntüleme ilk etkileri ^4,10. olduTessmer, Glicofridis, Ashoori, ve iş ⁷ tarafından MIT'de geliştirilen, dahası, burada açıklanan yöntem Ashoori ve iş ¹¹ tarafından geliştirilen Tek Elektron Kapasite Spektroskopisi yöntemi bir tarama prob versiyonu olarak kabul edilebilir. Ölçüm temel unsurlarından yüksek elektron hareketliliğine sahip transistör (HEMT) kullanarak zarif duyarlı şarj-algılama devresi ^5,12 değil, 0,01 elektron / Hz gibi düşük bir gürültü seviyesi elde edebilirsiniz ^½ 0.3 K, kriyostat baz sıcaklığı Referans 5. Böyle bir yüksek hassasiyet yeraltı sistemlerinde tek elektron şarj gözlem sağlar. Bu yöntem, bir düzlem geometri ² 10 ¹⁵ m ^-2 sırasına tipik dopant alan yoğunlukları ile, yarı iletkenler güçlendiricilerin tek tek veya küçük gruplar elektron veya delik dinamikleri çalışma için uygundur. Deneyin bu tipi için tipik bir örnek bir yapılandırma bir örneği Şekil 1'de gösterilmiştir . Dopant tabaka tipik yüzeyinin altında nanometre birkaç on konumlandırılmış, bu temel iletken tabaka ve dopant tabakası arasında ve dopant tabakası ve numune yüzeyi arasındaki kesin mesafeler bilmek önemlidir. Tünel aksine, kapasite katlanarak düşmek değil ancak bunun yerine aslında mesafe ters orantılı olarak azalır. Bu nedenle, dopant derinliği ilke olarak ucunda elektrik alan toprakların bazı makul fraksiyonu sürece yüzeyinin altında nanometre onlarca, daha derin olabilir. Burada anlatılan teknik dahil olmak üzere elektronik davranışının Yukarıda belirtilen sirojenik yerel problar tüm için, uzamsal çözünürlük ucunun geometrik boyutu ve ilgi yeraltı özelliği ve tarama prob ucu arasındaki mesafe ile sınırlıdır.

Protocol

1. PROTOKOL

1. Mikroskop ve elektronik başlangıç ​​kurulumu
   1. Ilişkili kontrol elektroniği ile bir kriyojenik özellikli tarama prob mikroskobu ile başlayın. Araştırma için kullanılan mikroskoplar burada uzak rampaları ¹³ (onları için önyargı gerilim iletimi sağlamak için bakır, pirinç veya paslanmaz çelik gibi bir iletken malzemeden yapılmış boyunca ucundan doğru örnek "yürüyüş" için atalet çeviri kullanımı ve tarif Şekil 2'de şematik olarak gösterildiği gibi bir dizayn Besocke STM ¹⁴ bir parçası olarak, örnekleme).
   2. Önyargı gerilim ve tünel mevcut koaksiyel kablo ek olarak, hassas ücret tespiti için kriyojenik amplifikatör devresi çalışabilmesi için mikroskop ucu alanı yakınında için elektronik raf uzanan en az iki diğer koaksiyel kablo ve bir topraklama kablosu sağlar. Referanslar 5, 12, ve 15 'de detaylı olarak tarif edilen amplifikatör devresi elemanları monte bu e yerleştirilmiştirlectronics raf, bu Şekil 2 'de gölgeli bir kutu dış devresinin bir bölümüdür. Devrenin bu bölümü, deney boyunca oda sıcaklığında devam edecektir.
2. Ucu ve HEMT devre (Şekil 2'de gölgeli kutu) için montaj çip monte; HEMT devre optimal enerji çözüm üretmek için kriyojenik sıcaklığı düşürülür.
   1. Cleave bir kare çip yaklaşık 1 cm bir yazıcı kullanarak GaAs gofret x 1 cm büyüklüğünde, sensör devresi ve bahşiş bu yonga üzerine monte edilecektir. Mevduat GaAs çip üzerine shadowmask ile bir titanyum yapışmasını tabakasının üstüne altın yaklaşık 100 nm birkaç altın yastıkları, her, x 1 mm yaklaşık 1 mm boy HEMT ve kutuplama dirençten teller bağlı olacak hangi oluşturmak için. Tamponların boyutları önemli değildir.
   2. Çapraz kesiciler kullanarak Ir tel: mekanik bir 80:20 Pt keserek keskin STM ucu hazırlayın. Ucu da kimyasal aşındırma O yolu ile hazırlanabilirr başka yöntem veya ticari olarak satın alınabilir. Taramalı elektron mikroskobu ile ucu eğrilik yarıçapı belirleyin, eğrilik yarıçapı deney için gerekli olan uzaysal çözünürlüğü sırasını olmalıdır.
   3. Kriyojenik sıcaklığa dayanıklı iletken epoksi kullanarak altın yastıkları her üzerine epoksi bir altın tel, bu telleri mikroskop koaksiyel kablo için montaj çip üzerindeki devre elemanlarını bağlayacak. Altın telleri kolayca yastıkları üzerine onlar gerekli değilse bir sonraki adım, epoksi birkaç gereksiz altın telleri sonra kaldırılabilir beri. Epoksi HEMT, kutuplama direnç ve çip montaj GaAs üzerine STM ucu. Ürün bilgi formu belirtildiği gibi epoksi Cure. (Ayrıntılar için aşağıdaki malzemelerin tabloya bakın.)
   4. Altın tel, bağ yüklü bir tel bağlayıcı kullanarak kaynak, drenaj ve GaAs çip üzerinde altın yastıkları ayırmak için HEMT kapısı elemanları. Kapısı ve kaynak o bağlantı Bond geçici telleriKapının sağlamak için R boşaltma yastıkları kaynak drenaj kanalı ile ilgili tahsil haline gelmez. HEMT işlenirken ek güvenlik için bir topraklama şeridi kullanın, bu HEMT yok edebilecek sokak statik yük almaktan kaçınması için önlemler almak önemlidir.
   5. Kapısı ve elektriksel olarak kısa devre HEMT önlemek için birbirine bağlı HEMT kaynağı boşaltma kanalına bağlı teller ile hazırlanan montaj çip saklayın. Önceki adımda belirtilen geçici telleri kaldırıldı varsa, yavaşça birlikte teller bükün. Bu birbirine tüm kabloları bağlamak için basit olduğunu.
3. Mikroskop için montaj çip takın.
   1. Bu HEMT ve kapısı ve kaynak-drenaj kanalları arasında yıkıcı şort önlemektir, kapı ve kaynak-drenaj kanalları yüzen asla emin olun. Çip teller lehim olacak için mikroskop koaksiyel kablo topraklayın.
   2. Yapıştırın t üstünde montaj çipŞekil 2'de gösterildiği gibi, o piezotube tarama.
   3. Lehim montaj çip indiyum lehim kullanarak ilgili koaksiyel kablo uzanan altın teller.
4. Elektronik raf de koaksiyel kablo bağlı bir eğri izleyici kullanarak HEMT bütünlüğünü kontrol edin. Esasen, eğri izleyici kaynak-boşaltma akım-voltaj karakteristikleri gösterir. En yaygın hata modu HEMT kapı ve kapı gerilimi duyarsız kaynak drenaj özellikleri ile sonuçlanır kaynağı-drenaj kanalı, arasında bir kısa.
5. Örnek monte edin. Örnek başarıyla ucu yaklaşım olacaktır sağlamak için STM modunda yapılandırılmış mikroskop ile aralığı içine yürüyün.
   1. Akım ölçümleri tünel STM için kullanılan amplifikatör için tel T bağlayın, ve (tüm bağlantılar elektronik raf yapılmaktadır.) Tel B. için DC ön gerilimi V _DC eklemek
   2. Örnek ve bahşiş tünel aralığında kadar yürümek. Ne zaman ra içindenge, tarama piezotube tarama piezotube topraklama ucu kendi içinde menzilli uzantısı geri neden olur, böylece denge konumundan biraz genişletilmiş kalmalıdır. Bu örnek başarıyla ucu yaklaşım doğrular. Bir sonraki eylemler sırasında ucu korumak için, bu yaptıktan sonra aralık dışında yürümek.
   3. Nihai düşük sıcaklık işlemi için laboratuar masa üstü arasındaki Dewar mikroskop aktarın. Bu noktada, test aşamasında tam ve deneysel aşamada başlayabilirsiniz.
6. Birkaç microtorr bir vakum için mikroskop dışarı pompalamak. Kriyostat için el kitabında belirtilen prosedürü izleyerek, optimum enerji çözümü için aşağıda 4.2 K ya da mikroskop soğutun.
   1. Baz sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra, mikroskop, mikroskop yeterli bir süre ısı dengesine ulaşmasına izin verilmesi; aynı alanda çok kez, uzun taramalar olacak, çünkü bu ısı kayması en aza indirmek için önemlidir. (Drift olanörnek ile ilgili ucunun denge pozisyonunda bir kayma).
   2. Mümkün olduğu kadar binaya mekanik bağlantı ve vakum pompaları ve mikroskop ve Dewar bağlı bulunan diğer cihazların bağlı titreşimlerinden izole etmek için mikroskop Dewar askıya alınması. Bu Referans 15 deki gibi, ya da hava yay ya da benzeri bir yöntem kullanılarak, bir bungee kablosu süspansiyon sistemi kullanılarak yapılabilir.
7. Mikroskop Soğuduktan sonra ve veri toplama başlamadan önce, yine eğri izleyici kullanarak HEMT bütünlüğünü doğrulamak.
8. Tünel (STM) modunda örnek tarayın.
   1. Aralığı içine yürüyün. Enkaz gelen ve önemli yüksekliği veya iletkenlik değişimleri arınmış numune yüzeyinin bir bölge bulun ve ucu kararlı olduğundan emin olun.
   2. Örnek herhangi eğilmelerini düzeltmek, kapasite taramaları geri besleme döngüsü devre dışı ile yapılabilir, çünkü bu özellikle önemlidir, bu nedenle ucu yüzeye çökmesine eğer scannING düzlemi numunenin yüzeyine paralel değildir. Prensip olarak, bir ucu tarama sırasında sabit bir kapasite sağlamak için geri besleme ile kapasite sinyal kullanabilirsiniz, ancak, uygulamada, sinyal geri besleme kullanılıyorsa, bir kaza önlemek için yeterince güçlü değildir.
   3. Bu ucu ofset konumlandırma ile telafi edilebilir, böylece herhangi bir termal sürüklenme dikkat edin. Tünel modunda aralığında, temas noktası olarak bu protokolde belirtilen süre ucunun uzantısı miktarı not edin.
9. Örnek bir soğukkanlı alan, STM modunda taranan değildi bir taşı.
   1. STM denetleyicisi geri besleme döngüsü devre dışı bırakın. Geri besleme döngüsü devre dışı bırakıldığında, ucu el hareketleri yanlışlıkla bir çökmesine neden olabilir hatırlayın. Ucu hareket ederken büyük bir dikkatle bu nedenle alınmalıdır.
   2. Ucu dokunmatik noktadan nanometre birkaç on geri çekin.
   3. Örnek WHI yakındaki bir alana ucunun lateral pozisyonda ofsetch son günlerde hiçbir tedirginlikler (örneğin yarı iletken dopant sitelerin şarj olarak) STM tarama için yarı iletken örnek üzerinden tünel sağlamak için gerekli ön gerilimin neden olabilir önlemek için, taranan olmamıştır.
   4. Denge uzantısı ucu değiştirme Dokunma noktasına büyüklüğü yakın kadar dikkatli bir yüzeye doğru ucu uzatmak.
10. Kapasite moduna kablolama yapılandırma geçin.
    1. HEMT korumak için koaksiyel kablo topraklayın.
    2. Ilgili gerilim kaynakları ve dirençler için ve koaksiyel kablo bağlayın kilit-amplifikatör ve fonksiyon jeneratörü, Şekil 2'de gösterilmiştir.
    3. Tüm gerilim kaynakları açın. HEMT şok önlemek için, 0 gerilim kaynağı çıkışı ile başlayan V.
    4. Unground koaksiyel kablolar, kapı ve HEMT korumak için mümkün olduğunca uzun süre birbirine bağlı HEMT kaynağı-drenaj kanalı tutmak için hatırlamak.
    5. V ayarlayıngerilim bölücü direnç üzerine voltajlı kaynağı (tel D).
    6. V _ayar ayarlanması sırasında bir multimetre ile tel L üzerindeki gerilim izleyerek en hassas bölgeye HEMT ayarlayın. Sonra kilit-amplifikatör için tel L takın.
    7. Üzerinde in-faz sinyal kadar V _ayar artırın kilit-amplifikatör artar ve plato başlar, ucu uygulanan gerilim V _ayar, rekor bu değer. Bu tel L. sızan yerine HEMT gitmek için ölçüm tüm şarj sağlar
    8. Iç faz Optimize kilit-kendi autophase yetenek ve kayıt faz değeri kullanarak amplifikatör.
    9. Anlamlı termal etkiler (bu genellikle iki saat kadar sürer) olmadığından emin olmak için stabilize etmek HEMT bekleyin.
11. Sadece ilgi sinyal kilit-amplifikatör gider sağlamak için standart kapasitör üzerindeki sinyal ayarlayarak HEMT Denge. Üzerindeki sinyal Ayarlarstandart kondansatör ya V _denge genlik veya V _denge ve V _uyarma arasındaki göreli faz için yapılabilir. HEMT dengeli olarak kabul edilir ne zaman in-faz sinyal kilit-amplifikatör prosedürün bu aşamada en aza indirilir.
12. Tarama şarj birikimi görüntüleme gerçekleştirin.
    1. Örnek DC ön gerilimi V _DC ayarlayın.
    2. Referans olarak temas noktası kullanarak, yüzeyin 1 nm içinde için ucu uzatın.
    3. Çıkışını kaydedin kilitli veri toplama yazılımı kullanarak amplifikatör, bu ilgi sinyaldir.
    4. Örnek tarayın. Iyi bir çözünürlük elde etmek için, taramalar her piksel için yeterli sinyal ortalama izin vermek ve görüntünün bitişik piksel arasında sinyal bulaşması önlemek için tarama başına birkaç saat oranında elde edilecek gerekebilir. Birkaç aynı alan üzerinde tarama ve ortalama bu sinyal-gürültü oranını artırmak için birlikte tarar gerçekleştirin.
13. Önceki adımda sırasında edinilen sorumlu birikimi görüntü ilgi bir yeraltı özelliği üzerinde sabit ucu ile kapasitans (CV) spektroskopisi gerçekleştirin.
    1. Rampa V _DC ve çıkış kayıt kilitli veri toplama yazılımı kullanarak amplifikatör.
    2. Sinyal-gürültü oranını artırmak için aynı yerde birkaç kapasite vs gerilim (CV) eğrileri ve birlikte ortalama bu eğrileri alın. Tipik olarak, bir kaç eğriler birlikte ortalaması alınır. Ortalama eğriler için taramalar sırasında sürüklenme potansiyeli sinyal-gürültü oranı, geliştirir ise, ardışık tarama sadece bir avuç birlikte ortalama edilmelidir.
14. Tünel (STM) moduna dönün.
    1. Kendi denge uzantısı ve yeniden STM için elektronik ucu geri çekin. Geri besleme döngüsü yeniden etkinleştirmek ve ucunun uzantısı (temas noktası)-aralığında mevcut kaydedin.
    2. Üst özellikleri aramak için tünel modunda alan taramakapasitans görüntüleme ve kapasitans spektroskopi eserler yarattı olabilir graf yok.
15. Başvuru 9 ve Referans 1 destekleyici bilgiler takip, veri analiz etme ve yorumlama.

Results

Başarılı bir ölçü göstergesi baş çok diğer tarama prob yöntemlerde olduğu gibi, yeniden üretilebilirlik olup. Tekrarlanan ölçümler bu nedenle çok önemlidir. Nokta kapasitans spektroskopisi için, aynı yerde arka arkaya birçok ölçümler alarak sinyal-gürültü oranı artırmak ve sahte sinyaller belirlemeye yardımcı olur.

Ilgi çekici bir özelliği, yük birikiminin görüntü içinde tespit edilmiştir ve kapasitans spektroskopisi gerçekleştirildikten sonra, CV verilerin yorumlanması gerilim kolu belirlen...

Discussion

Bu deneysel yöntem için kuramsal temelleri ayrıntılı bir açıklama Referanslar 8 ve 9'da verilen ve Referans 2 yeraltı güçlendiricilerin senaryoya göre tartışılmıştır, burada sunulan genel bakış bu nedenle kısa ve kavramsal olacaktır. Bir ucu bir kapasitör plaka ve örnek diğer levha ihtiva yatan iletken tabaka olarak kabul edilir. DC gerilim uygulanırsa şekilde elektron ucuna doğru çekilir, ve ek bir ücret alabildiği temel iletken tabakası ve ucu arasında yer alan dopant atomu varsa, daha sonra elektron dopant girece...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Besocke-design STM	Özel		Referansları 14 ve 15
RHK Teknolojisi	için kontrol elektroniği	SPM 1000 Revizyon 7
Kilitli amplifikatör	Stanford Araştırma Sistemleri	SR830
Eğri izleyici	Tektronix	Type 576
Osiloskop	Tektronix	TDS360
Multimetre	Tektronix	DMM912
Tel bağlayıcı	BATI & orta nokta; K	~ 1200D sıcaklık kontrol cihazı ile	7476D
Lehimleme demiri	MPJA	301-A
Kriyostat	Oxford Instruments	Heliox
Malzeme
Pt/Ir tel, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs gofret	axt	SI	Montaj çipi için
%99,99 Au teli, 2 mil çapında	SPM		Montaj çipi için
%99,99 Au teli, 1 mil çapında	K& S		Tel yapıştırma için
İndiyum bilye	Alfa Aesar	11026
Gümüş epoksi	Epo-Tek	EJ2189-LV	Herhangi bir düşük sıcaklığa uyumlu iletken epoksi kabul edilebilir
HEMT	Fujitsu	Düşük Gürültü HEMT