Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

Summary

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität ermöglicht die Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung in lokalisierten Regionen Untergrund. Eine empfindliche Ladung-Erfassungsschaltung in einem kryogenen Rastersondenmikroskop auf kleine Systeme Dotieratome unter der Oberfläche des Halbleiter-Proben zu untersuchen eingearbeitet.

Abstract

Die Integration von Niedrigtemperatur-Scanning-Probe-Techniken und Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität stellt ein leistungsfähiges Werkzeug, um die elektronischen Quantenstruktur von kleinen Systemen zu untersuchen - auch einzelne atomare Dotierungen in Halbleitern. Hier präsentieren wir eine Kapazitäts-basierte Verfahren, wie Subsurface Ladungsakkumulation (SCA)-Bildgebung, die in der Lage Lösung Einzel-Elektronen-Aufladung während eine ausreichende räumliche Auflösung zu einzelnen atomaren Bild Dotierungen ist bekannt. Der Einsatz eines kapazitiven Technik ermöglicht Beobachtung der unterirdischen Merkmale, wie viele Dotiermittel begraben Nanometer unter der Oberfläche eines Halbleitermaterials ^1,2,3. Im Prinzip kann diese Technik auf ein beliebiges System angewandt werden, um die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche zu lösen.

Wie in den anderen durch ein elektrisches Feld empfindliche eingescannten Sondentechniken ⁴ hängt die laterale räumliche Auflösung der Messung teilweise von dem Radius curvature der Sondenspitze. Unter Verwendung der Spitzen mit einem kleinen Krümmungsradius ermöglichen räumlichen Auflösung von wenigen zehn Nanometern. Diese feine räumliche Auflösung ermöglicht Untersuchungen der kleinen Zahlen (minus eins) von unterirdischen Dotierungen ^1,2. Die Ladung Auflösung hängt stark von der Empfindlichkeit der Ladung Detektionsschaltung; mit Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) in solchen Schaltungen bei kryogenen Temperaturen ermöglicht eine Empfindlichkeit von etwa 0,01 Elektronen / Hz ^½ bei 0,3 K ^5.

Introduction

Subsurface Ladungsakkumulation (SCA) Bildgebung ist eine Niedertemperatur-Verfahren auflösen können Einzel-Elektronen-Charging Events. Bei der Untersuchung von Dotierungsatomen in Halbleitern angewendet wird, kann das Verfahren erkennen einzelnen eintretenden Elektronen Donor-oder Akzeptor-Atomen, wodurch Charakterisierung des Quanten-Struktur dieser Systeme Minute. In seinem Herzen ist SCA Bildgebung eine lokale Kapazitätsmessung ⁶ für Kryo-Betrieb geeignet. Da Kapazität vom elektrischen Feld basiert, ist es eine Fernwirkung, die zu lösen Laden unter isolierenden Oberflächen können ^6. Kryo-Betrieb ermöglicht Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung und Quanten-Ebene Abstand, der bei Raumtemperatur ^1,2 unlösbaren würde. Die Technik kann auf jedes System, in dem die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche ist wichtig angewendet werden, einschließlich der Ladung Dynamik in zweidimensionalen Elektronensysteme an inneren Grenzflächen ^7; Kürze halber der Fokus hier auf Studien von Halbleiter Dotierungen sein.

Am meisten schematische Ebene behandelt diese Technik das gescannte Spitze als eine Platte eines Plattenkondensator, obwohl realistische Analyse erfordert eine genauere Beschreibung zu berücksichtigen, für die Krümmung der Spitze ^8,9. Die andere Platte in diesem Modell ist eine nanoskaligen Bereich der darunter liegenden leitenden Schicht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Im Wesentlichen von einer Ladung in einen Dotierstoff in Reaktion auf eine periodische Anregung Spannung, wird es näher an der Spitze; diese Bewegung induziert image Ladung auf der Spitze, die mit der Sensorschaltung ⁵ erfasst wird. Ebenso wie die Ladung beendet das Dotierungsmittel, das Bild Ladung auf der Spitze verringert. Daraus ergibt sich die periodischen Ladesignal in Reaktion auf die Erregungsspannung das detektierte Signal - im Wesentlichen ist es Kapazität, so dass diese Messung wird oft als die Bestimmung der CV Eigenschaften des Systems bezeichnet.

Zelt "> Während der Kapazitätsmessung, ist das einzige Netz Tunneling zwischen dem zugrunde liegenden leitfähigen Schicht und der Dotierungsmittelschicht -. Ladung nie Tunnel direkt auf die Spitze Das Fehlen direkter Tunneln oder von der Spitze während der Messung ist ein wichtiger Unterschied zwischen diesem Technik und mehr vertraut Rastertunnelmikroskopie, ist, obwohl ein großer Teil der Hardware für dieses System im Wesentlichen identisch mit der eines Rastertunnelmikroskops. Es ist auch wichtig anzumerken, dass SCA Bildgebung nicht direkt auf elektrostatische Ladungen reagieren. Für Untersuchungen der statischen Aufladung Ausschüttungen, Raster-Kelvin-Sonden-Mikroskopie oder elektrostatische Kraft-Mikroskopie geeignet ist kryogenen Zusätzliche Methoden für die Prüfung lokalen elektronischen Verhalten gibt, die auch gute elektronische und räumliche Auflösung;. zum Beispiel, Scannen Einelektrontransistor Mikroskopie ist ein weiteres Raster-Sonden-Methode zum Aufspüren von Minute Aufladen Effekte ^4,10. SCA Bildgebung war ursprünglichentwickelt am MIT durch Tessmer, Glicofridis, Ashoori und Mitarbeiter ^7, außerdem das hier beschriebene Verfahren kann als Raster-Sonden-Version der Single-Electron Spectroscopy Kapazität Methode Ashoori und Mitarbeiter ¹¹ entwickelt angesehen werden. Ein wesentliches Element der Messung ist ein exquisit empfindlich Charge-Detektionsschaltung ^5,12 mit high electron mobility Transistoren (HEMT), es kann einen Geräuschpegel so niedrig wie 0,01 Elektronen / Hz erreichen ^½ bei 0,3 K, die Basis Temperatur des Kryostaten in Referenz 5. Eine derart hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Beobachtung von Einzel-Elektronen-Aufladung in unterirdischen Anlagen. Diese Methode wird für die Untersuchung von Elektronen oder Löcher Dynamik einzelne oder kleine Gruppen von Dotierstoffen in Halbleitern geeignet, mit typischen Dotierstoff Flächendichte im Bereich von 10 ¹⁵ m ^-2 in einer ebenen Geometrie ^2. Ein Beispiel für eine typische Probe Konfiguration für diese Art von Test ist in Abbildung 1 dargestellt

Protocol

1. PROTOKOLL

1. Ersteinrichtung des Mikroskops und Elektronik
   1. Beginnen Sie mit einer kryogenen-fähigen Rastersondenmikroskops zugeordnet Steuerelektronik. Die Mikroskope für die Forschung hier beschriebenen verwenden Trägheitstranslation zu "gehen" der Probe in Richtung auf und weg von der Spitze entlang Rampen ¹³ (aus einem leitenden Material, wie Kupfer, Messing oder rostfreiem Stahl, damit sie mit der Vorspannung, um die Sende- Probe) als Teil eines Besocke Design STM ^14, der schematisch in 2 gezeigt.
   2. Zusätzlich zu der Vorspannung und der Tunnelstrom Koaxialkabeln bieten mindestens zwei koaxialen Drähte und einen Erdungsdraht, die von der Elektronik Zahnstange erstrecken, um in der Nähe der Spitzenbereich des Mikroskops, um das kryogene Verstärkerschaltung für empfindliche Ladung Erkennung arbeiten. Bauen Sie die Elemente der Verstärkerschaltung im Detail in Referenzen 5, 12 und 15 beschrieben werden, die auf der e untergebrachtlectronics Rack, das ist der Teil der Schaltung außerhalb des schattierten Feld in Abbildung 2. Dieser Teil der Schaltung wird bei Raumtemperatur während des Experiments bleiben.
2. Montieren Sie die Montage-Chip für den Tipp und HEMT Schaltung (schattierte Feld in Abbildung 2), die HEMT Schaltung auf kryogene Temperatur abgesenkt werden, um eine optimale Energie-Auflösung zu erhalten.
   1. Cleave eine quadratische Chip Größe von ungefähr 1 cm x 1 cm aus einer GaAs-Wafer mit einem Schreiber, der Sensor-Schaltung und Spitze wird auf diesem Chip montiert werden. Deposit etwa 100 nm Gold auf einem Titan-Haftschicht durch eine Lochmaske auf den GaAs-Chip zu bilden, mehrere Goldpads jeweils einer Größe von ungefähr 1 mm x 1 mm, auf die Drähte des HEMT und Vorspannungswiderstand wird verklebt werden. Die Abmessungen der Pads sind nicht kritisch.
   2. Bereiten Sie eine scharfes STM-Spitze durch mechanisches Schneiden eines 80:20 Pt: Ir-Draht mit Seitenschneider. Die Spitze kann auch durch chemisches Ätzen hergestellt werden or eine andere Methode oder im Handel erworben werden. Bestimmen des Radius der Krümmung der Spitze über Rasterelektronenmikroskopie; der Krümmungsradius sollte in der Größenordnung von der räumlichen Auflösung für das Experiment benötigt werden.
   3. Epoxy ein Golddraht auf jede der Goldpads mit leitfähigem Epoxidharz standhalten tiefen Temperaturen, wobei diese Drähte werden die Elemente der Schaltung auf dem Chip Montage der koaxialen Leitungen auf dem Mikroskop zu verbinden. Da die Golddrähte lassen sich nach dem nächsten Schritt, wenn sie nicht benötigt werden, Epoxy einige redundante Golddrähte auf die Pads entfernt werden. Epoxy die HEMT, die Vorspannwiderstand und die STM-Spitze auf die Montage GaAs-Chip. Cure das Epoxidharz wie angegeben über seine Produkt-Datenblatt. (Siehe die Tabelle der Materialien unten für Details.)
   4. Mit einem Drahtbonder mit Golddraht Bindung geladen die Source-, Drain-und Gate-Elemente des HEMT Gold-Pads auf der GaAs-Chips zu trennen. Bond temporären Adern das Gate-und Source-or Drain-Anschlussflächen, um das Tor zu gewährleisten wird nicht berechnet in bezug auf die Source-Drain-Kanal. Verwenden Sie ein Erdungsband für zusätzliche Sicherheit während die Manipulation der HEMT, es ist wichtig, Vorkehrungen zu treffen, um zu vermeiden, die Einführung streunende statische Aufladungen, die HEMT zerstören könnte.
   5. Bewahren der vorbereiteten Montage-Chip mit den Drähten an dem Gate und der Source-Drain-Kanal des HEMT elektrisch miteinander verbunden, um zu vermeiden Kurzschließen des HEMT. Wenn die temporären Adern im vorherigen Schritt erwähnt entfernt wurden, drehen Sie vorsichtig die Drähte zusammen. Am einfachsten ist es, alle Drähte miteinander zu verbinden.
3. Befestigen Sie den Chip mit dem Mikroskop.
   1. Stellen Sie sicher, dass die Gate-und Source-Drain-Kanäle sind schwimmende nie, das ist zu destruktiven Kurzschlüsse zwischen den Gate-und Source-Drain-Kanäle des HEMT verhindern. Erden Koaxialkabeln am Mikroskop an dem die Drähte von dem Chip gelötet werden.
   2. Befestigen Sie die Halterung oben auf t-Chiper Scannen piezotube, wie in Abbildung 2 dargestellt.
   3. Löten Sie die Golddrähten sich von der Montage-Chip den einschlägigen Koaxialkabeln mit Indium-Lot.
4. Überprüfen Sie die Integrität des HEMT mit einem Kurventracers an den koaxialen Leitungen an die Elektronik-Rack. Grundsätzlich zeigt die Kurve Tracer die Source-Drain-Strom-Spannungs-Kennlinie. Die häufigste Fehlermodus ist ein Kurzschluss zwischen dem HEMT Gate und dessen Source-Drain-Kanal, der in Source-Drain-Eigenschaften, die unempfindlich gegenüber Gate-Spannung werden die Ergebnisse.
5. Montieren Sie die Probe. Gehen Sie in den Bereich mit dem Mikroskop in STM-Modus konfiguriert, um sicherzustellen, dass die Probe erfolgreich nähern sich der Spitze.
   1. Verbinden Draht T an den Vorverstärker für STM Tunnelstrom Messungen verwendet, und befestigen DC-Vorspannung V _DC auf Draht B. (Alle Anschlüsse sind an der Elektronik Rack gemacht.)
   2. Gehen Sie, bis die Probe und Spitze sind im Tunnelbau Bereich. Wenn in range, sollte der Scan piezotube bleiben leicht aus dem Gleichgewicht Position, so dass die Erdung des Scan piezotube bewirkt, dass die Spitze von seinem in-Bereich zurückziehen Erweiterung erweitert. Dies bestätigt, dass die Probe erfolgreich nähern sich der Spitze. Gehen Sie aus der Reichweite nach, dies zu tun, um die Spitze in den nächsten Aktionen zu schützen.
   3. Übertragen Sie das Mikroskop vom Labortisch zum Dewar für eventuelle Tieftemperatur-Betrieb. An diesem Punkt ist die Testphase abgeschlossen und der experimentellen Phase beginnen kann.
6. Pumpen Sie das Mikroskop auf einen Unterdruck von wenigen microtorr. Kühlen Sie das Mikroskop auf 4,2 K oder unten für eine optimale Energie-Auflösung nach dem Verfahren in dem Handbuch für den Kryostaten skizziert.
   1. Nach dem Abkühlen des Mikroskops zu seiner Basis Temperatur, damit das Mikroskop ausreichende Zeit, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen, da wiederholte, langen Abtastungen des gleichen Bereichs durchgeführt werden, ist es wichtig, thermischen Drift zu minimieren. (Drift isteine Verschiebung des Gleichgewichts Position der Spitze mit Bezug auf die Probe.)
   2. Hängen Sie das Dewar das Mikroskop so viel wie möglich von Schwingungen durch mechanische Kopplung mit dem Gebäude und Vakuumpumpen und andere Geräte an das Mikroskop und Dewar isolieren. Dies kann durch eine mit Schnur Federungssystem, wie in Referenzbeispiel 15, oder mit Luftfedern oder ein ähnliches Verfahren.
7. Nach dem Abkühlen des Mikroskops und bevor Datenerhebung, überprüfen Sie die Integrität des HEMT wieder mit dem Kurventracers.
8. Scannen Sie die Probe im Tunnelbau (STM)-Modus.
   1. Gehen Sie in Reichweite. Suchen Sie eine Region der Probenoberfläche, die frei von Schmutz und von erheblicher Höhe oder Leitfähigkeit Variationen ist, und sicherzustellen, dass die Spitze ist stabil.
   2. Korrigieren Sie für jede Neigung der Probe, das ist besonders wichtig, weil Kapazität Scans mit der Rückkopplungsschleife deaktiviert durchgeführt werden, damit die Spitze in die Oberfläche könnte abstürzen, wenn der scannten Ebene nicht parallel zu der Oberfläche der Probe. Im Prinzip könnte man die Kapazität Signal mit Rückkopplung verwenden, um eine konstante Kapazität zu erhalten, während das Scannen der Spitze, aber in der Praxis ist das Signal nicht robust genug, um einen Absturz zu verhindern, wenn Rückkopplung verwendet wird.
   3. Beobachten Sie die thermische Drift, so dass es für die durch Neupositionierung der Spitze Offset kompensiert werden. Notieren Sie sich die Verlängerung der Spitze, während in Bereich im Tunnel-Modus, nach diesem Protokoll als Berührungspunkt.
9. Gehen Sie zu einem ungestörten Bereich der Probe, eine, die nicht in STM-Modus gescannt wurde.
   1. Deaktivieren Sie die Feedback-Schleife in der STM-Controller. Daran erinnern, dass, wenn der Feedback-Schleife deaktiviert ist, manuelle Bewegungen der Spitze könnte versehentlich einen Absturz verursachen. Große Sorgfalt sollte daher genommen, während die Spitze zu bewegen werden.
   2. Einfahren der Spitze ein paar Dutzend Nanometer von der Berührungspunkt.
   3. Offset die seitliche Position der Spitze einer in der Nähe der Probe which hat in letzter Zeit nicht gescannt worden, um keine Störungen (z. B. Laden von Halbleiter-Dotierung Sites) die Vorspannung erforderlich, damit Tunneln durch die halbleitende Probe für STM Scanning bewogen haben könnten, zu vermeiden.
   4. Vorsichtig verlängern die Spitze in Richtung der Oberfläche, bis die Spitze Verschiebung des Gleichgewichts Erweiterung liegt in der Nähe in der Größenordnung des Berührungspunkt.
10. Schalten Verdrahtungskonfiguration zur Kapazität Modus.
    1. Erden Sie alle koaxiale Leitungen, um den HEMT schützen.
    2. Verbinden der koaxialen Leitungen zu den jeweiligen Spannungsquellen und Widerstände und die Lock-in-Verstärker und dem Funktionsgenerator, wie in Abbildung 2 dargestellt.
    3. Schalten Sie alle Spannungsquellen. Um zu vermeiden, schockt die HEMT mit Spannungsquelle Ausgänge beginnen bei 0 V.
    4. Ungemahlenes die koaxialen Leitungen, daran zu denken, dem Gate und der Source-Drain-Kanal des HEMT miteinander verbunden sind, so lange wie möglich, um den HEMT schützen zu halten.
    5. Stellen Sie die voltage Quelle auf dem Spannungsteilerwiderstand (Draht D).
    6. Stimmen Sie die HEMT seine empfindlichste Region durch Überwachung der Spannung über Draht L mit einem Multimeter beim Einstellen V _tune. Bringen Draht L auf die Lock-in-Verstärker danach.
    7. Erhöhen V _tune bis zum In-Phase-Signal auf der Lock-in-Verstärker zu und beginnt Plateau; Aufzeichnung dieser Wert von V _tune, die die Spannung, die an der Spitze ist. Dies ermöglicht allen Ladung von der Messung bis zum HEMT gehen anstatt undicht durch Draht L.
    8. Optimieren Sie die innere Phase der Lock-in-Verstärker mit seiner Fähigkeit Autophase und notieren Sie die Phase Wert.
    9. Warten Sie auf den HEMT zu stabilisieren, um sicherzustellen, gibt es keine signifikanten thermische Effekte (das dauert oft bis zu zwei Stunden).
11. Balance der HEMT durch Einstellen des Signals auf der Standard-Kondensator, um sicherzustellen, dass nur das Signal von Interesse für die Lock-in-Verstärker geht. Anpassungen des Signals auf derStandard-Kondensator entweder der Amplitude V oder _{Gleichgewicht} der relativen Phase zwischen V und V _{Balance Anregung} erfolgen. Der HEMT wird als im Gleichgewicht, wenn das In-Phase-Signal auf der Lock-in-Verstärker wird bei diesem Schritt des Verfahrens minimiert.
12. Führen Sie das Scannen Ladungsakkumulation Bildgebung.
    1. Stellen Sie die DC-Vorspannung V _DC auf die Probe.
    2. Verlängern Sie die Spitze innerhalb von 1 nm von der Oberfläche, mit dem Touch-Punkt als Referenz.
    3. Notieren Sie den Ausgang des Lock-in-Verstärker mit der Datenerfassungs-Software, das ist das Signal von Interesse.
    4. Scannen Sie die Probe. Um eine gute Auflösung zu erhalten, kann die Scans müssen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Stunden pro Abtastung erfasst werden, um ein ausreichendes Signal Mittelwertbildung für jedes Pixel zu ermöglichen und um ein Verschmieren des Signals in benachbarten Pixeln des Bildes zu verhindern. Führen mehreren Scans auf der gleichen Fläche, und durchschnittlich diese Scans zusammen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
    5. Führen Kapazität (CV)-Spektroskopie mit der Spitze stationär über einer unterirdischen Merkmal von Interesse in der Ladungsakkumulation Bild im vorherigen Schritt erworben.
       1. Ramp V _DC und notieren Sie den Ausgang des Lock-in-Verstärker mit der Datenerfassungs-Software.
       2. Nehmen Sie mehrere Kapazität-Spannungs-(CV)-Kurven in der gleichen Position, und durchschnittliche diese Kurven zusammen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Typischerweise werden ein paar Kurven gemittelt zusammen. Während Mittelung Kurven verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, weil das Potenzial für Drift während scannt, sollten nur wenige aufeinanderfolgende Abtastungen zusammen gemittelt werden.
    6. Zurück zum Tunnelbau (STM)-Modus.
       1. Fahren Sie die Spitze sein Gleichgewicht Erweiterung und konfigurieren die Elektronik für STM. Aktivieren Sie die Feedback-Schleife und notieren Sie die in-Bereich Erweiterung der Spitze (Touch-Point).
       2. Scannen Sie den Bereich in-Tunneling-Modus für Funktionen in der Spitze sehenography die Artefakte erzeugt werden, können in der Kapazität Bildgebung und Spektroskopie Kapazität haben.
    7. Analysieren und interpretieren können, nach Reference 9 und der unterstützenden Informationen in Referenz 1.

Representative Results

Der Chef Indikator für eine erfolgreiche Messung ist die Reproduzierbarkeit, so wie in anderen Rastersondenmethoden. Wiederholte Messungen sind sehr wichtig, aus diesem Grund. Für Punkt Kapazität Spektroskopie unter viele Messungen nacheinander an der gleichen Stelle hilft, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und zu identifizieren Störsignale.

Sobald ein Merkmal von Interesse innerhalb der Ladungsakkumulation Bild identifiziert und Kapazität Spektroskopie durchgeführt wurde, beginnt Interpretation des CV Daten durch Bestimmung der Spannung Hebelarm. Die Spannung Hebelarm der Skalierungsfaktor betreffend die tatsächliche Potential an der Stelle des Dotierstoffs zu dem angelegten V _DC. Sie besteht im wesentlichen einen Anteil von dem Null Abstand der Spitze von der Dotierungsmittelschicht und für jeden seitlichen des Dotierstoffs von der Position unmittelbar unter der Spitze auszugleichen. Die Spannung Hebelarm wird durch Einbau einer Lorentz-Funktion auf den CV-Spektroskopie Daten ^1,8 gefunden ^</ Sup>. Wenn eine absolute Skala Spannung gewünscht wird, sollte der Kontakt Potential (Spannung an dem keine elektrischen Feldlinien von der Probe an der Spitze enden) mittels eines Raster-Kelvin-Messung ^1,2,3,7 bestimmt werden.

3 (a) zeigt ein Beispiel eines Bildes mit Aufladung CV-Spektroskopie an der angegebenen Stelle erfasst. Die Probe wurde Silizium mit Bor-Akzeptoren mit einer Flächendichte von 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 in einer Delta-dotierten Schicht 15 nm unter der Oberfläche dotiert ist. Hellere Farben zeigen erhöhte Aufladung. Die hellen Flecken sind als Kennzeichnung der Lage der einzelnen unterirdischen Boratome interpretiert. Der blaue Punkt zeigt einen besonderen Lichtblick in dem Punkt CV-Spektroskopie ¹ durchgeführt wurde, wie in Abbildung 3 (b) gezeigt. Der größte Peak interpretiert werden gelangenden Ladung des Dotierstoffs direkt unterhalb der Spitze. In der Nähe Peaks sind aufgrund der Nähe Dotierungen. Ihre Zentren sind verschoben und Amplituden deerhöht in Bezug auf die Haupt-Peak, da die vergrößerten Abstand dieser Dotierstoffe von der Spitze ändert ihre Hebelarm Parameter. Die Peaks werden entlang der Spannung Achse im Wesentlichen vier Effekte erweitert: (1) der Hebelarm (2) thermische Verbreiterung (3) die Amplitude der Erregungsspannung, und (4) das Ausgangsfilter des Lock-in-Verstärker. Diese Effekte werden im Modell berücksichtigt, da durch die gute Übereinstimmung zwischen der übergeordneten Modell Kurve ¹ und die Daten gezeigt.

Figur 4 (a) zeigt eine Reihe von Lade-Peaks, ähnlich zu 3, (b) Figur. In diesem Fall war die Probe GaAs, mit Silicium Spender mit einer Flächendichte von 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 in einer Delta-dotierten Schicht 60 nm unter der Oberfläche dotiert ist. Aufgrund der hohen Dotierdichte spiegeln die meisten der spektroskopischen Eigenschaften in diesem Versuch Gruppen von vielen Elektronen. Peaks werden durch den Einbau identifiziert; Interpretation eines Peaks als zuzurechnen einem singenle Elektronen kommt von seiner Konsistenz in Form und Größe mit der erwarteten Form eines Einzel-Elektronen-Peaks. Eine Handvoll von Einzel-Elektronen-Peaks wurden in diesem Experiment ^2, von denen einer durch den roten Pfeil angedeutet behoben ist. Abbildung 4 (b) und 4 (c) konzentrieren sich auf diesem Gipfel, die zeigen, dass es die erwartete Form für eine Single-hat Elektronen-Effekt. Die Passform in Abbildung 4 (c) ist eine halbe Ellipse mit ¹⁶ Funktionen für die Buchhaltung Peakverbreiterung oben beschriebenen Effekte gefaltet. Diese Passform hat zwei freie Parameter: das Zentrum der Spitzen-und der Hebelarm. Die drei CV-Kurven in Abbildung 4 (b) sind sequentielle Spektroskopie-Messungen an der gleichen Funktion. Die Menge der Streuung in den Daten in 4 (b) ist typisch, Mittelung mehrerer Kurven miteinander, wie in Figur 4 erfolgt (a) führt zu leicht identifizierbaren Peak Struktur, weshalb macht mehrere CV Kurven auf derGleiche Funktion ist sehr wichtig für die Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Abbildung 1. Schematische Darstellung eines typischen Muster. Schematische Darstellung einer typischen Probe für rastersondenmikroskopischen Einzel-Elektronen-Kapazität Experimente. Die Probe ist ein Halbleiter mit einer darunter liegenden leitenden Schicht bei einer bekannten Tiefe von der Oberfläche, an die die Vorspannung und Anregung Spannungen angelegt werden. Eine zweidimensionale Schicht von Dotierstoffen eingebettet ist, auch bei einer bekannten Tiefe von der Oberfläche. Tunneln Elektronen zwischen der leitenden Schicht und der Dotierungsschicht, Ändern der Kapazität des Systems und Induzieren eines Ladungsbildes in der Spitze, die durch die Ladung-sensitive Vorrichtung gemessen wird. Eine ausreichend hohe Vorspannung wird Elektronen-Tunnel zwischen dem Dotiermittel und eine Oberflächenschicht Zustand sowie, e ermöglichennabling ihrer Entdeckung an der Oberfläche von STM.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der Microscope and Charge-Sensing-Vorrichtung. Schaltplan für den Verstärker in Referenz 5 beschrieben und basiert auf 12 Referenz. Montage-Chip ist in Ort auf einem schematischen eines Besocke-design ¹⁴ Rastersondenmikroskop mit Rampen ¹³ und Probe (nicht maßstabsgetreu) gezeigt. Draht B bietet die Probe Vorspannung, einschließlich der AC Speisespannung verwendet, um aufzuhetzen Tunneln und unterirdischen Dotierungen aus. Draht-C ist mit dem Standard-Kondensator und dem abstimmbaren Wechselspannungsquelle, dass der Ausgleich des HEMT ermöglicht verbunden. Leitung L ist mit dem Lock-in-Verstärker, von dem die Kapazität aufgezeichnet ist, und Draht-D eine Verbindung mit einer Spannungsquelle über einen Widerstand zu schaffen, AVoltage Teiler, der Ausgang des Spannungsteilers ist das Signal an die Lock-in-Verstärker. Während Kapazität Messungen wird der Draht T zu einer einstellbaren Spannungsquelle durch einen großen Widerstand, der mit AC Ladung auf der Spitze verhindern undicht hinunter diesen Weg. In Tunneln (STM)-Modus wird Draht T der Tunnelstrom Draht (mit seiner Spannungsquelle getrennt), Draht B bleibt der mit einer DC-Spannungsquelle und alle anderen Drähte geerdet sind. Eine typische Wahl für den Spannungsteiler Widerstand auf Draht D ist 100 kOhm mit einer Spannung auf Draht D von +1,25 V. Die Wahl der Standard-Kapazität sollte den Hintergrund Spitze-Probe gegenseitige Kapazität, die etwa 20 fF ist entgegenzuwirken. Der Vorspannungswiderstand auf Draht T ist in der Nachbarschaft von 20 MOhm sein. Diese Entscheidungen zielen, um den Widerstand des HEMT Source-Drain-Kanal, um am empfindlichsten Regime einzustellen.

"/ Files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
Abbildung 3. SCA Bild und CV-Spektroskopie an Akzeptor-dotierten Si (a) Abtasten Aufladung Bild einer Silicium-Probe mit einer Schicht aus Bor-Akzeptoren dotiert Flächendichte 1,7 x 10 ¹⁵ m ^-2 liegt 15 nm unter der Oberfläche ^1;. V _DC = 75 mV, V = 3,7 mV _Anregung, die Temperatur lag bei 4,2 K. (b) CV-Spektroskopie erworben an der Stelle in (a) durch den blauen Punkt gekennzeichnet. Um auf dem Gipfel Struktur zu konzentrieren, wurde ein Hintergrund Linie abgezogen. Die Spannung Skala verschoben worden ist, so dass Null ist das Zentrum des größten Spitze, da kein Raster-Kelvin-Messung während dieses Experiments, um die absolute Spannungsskala bestimmen durchgeführt wurde, ist dieser Offset eine Frage der Bequemlichkeit.

load/50676/50676fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
Abbildung 4. . CV-Spektroskopie-Analyse auf Donor-dotierten GaAs (a) CV-Spektroskopie erworben auf GaAs, dotiert mit einer Schicht aus Silizium Spender Flächendichte von 1,25 x 10 ¹⁶ m ^-2 60 nm unter der Oberfläche ² angeordnet, V _Anregung = 15 mV, die betrug 0,3 K. Der rote Pfeil markiert eine Spitze, die weiter untersucht wurde (b) Nähere einzelnen CV-Messungen der angegebenen Peak in (a) mit der Spannung an der Spitze zentriert ist;.. V _Anregung = 3,8 mV (c) gemittelten Daten der mehreren Kurven (b) gezeigt. Die Passform, in grün dargestellt, ist für vier Effekte, die den Gipfel zu erweitern: der Hebelarm, thermische Verbreiterung, die Amplitude der Erregerspannung und die Ausgabe-Filter des Lock-in-Verstärker. In (b) und (c) (a), die Umsetzung zu einem Kapazitätswert über C = AQ _Spitze / _V Versorgung nicht erfolgt.

Discussion

Eine detaillierte Erläuterung der theoretischen Grundlagen für diese experimentelle Methode wird in Referenzen 8 und 9 gegeben und diskutiert in Bezug auf das Szenario der Untergrund Dotierungen in Referenz 2; der Übersicht dargestellt wird hier deshalb kurz sein und konzeptionell. Die Spitze wird als eine Platte eines Kondensators und der leitenden Schicht, die unter die Probe umfasst die andere Platte behandelt. Wenn die DC-Spannung angelegt wird, so daß Elektronen in Richtung der Spitze gezogen wird, und wenn es eine Dotieratom zwischen der darunter liegenden leitenden Schicht und der Spitze, die eine zusätzliche Ladung aufnehmen liegt dann das Elektron das Dotierungsmittel geben und damit näher an die Spitze. Von Elektrostatik, muss die Bewegung dieser Elektronen induzieren ein Bild Ladung der entgegengesetzten Vorzeichen an der Spitze. Die sinusförmigen Erregerspannung _(V Versorgung), die in die DC-Spannung summiert wird, bewirkt, dass die Elektronen zwischen der Substratschicht und der Dotierstoff mitschwingen. Im Gegenzug lädt das Bild will auch Resonanz, so dass eine AC-Signal, das durch die empfindliche Ladung-Erfassungsschaltung Verwendung des HEMT erkannt wird und ferner mit einer Lock-In-Verstärker verstärkt. Das Ladesignal kann dann in eine Kapazität umgewandelt werden.

Der häufigste Fehler-Modus dieses Experiments beinhaltet Beschädigung des HEMT Schaltung, die die empfindliche Ladung Erkennung ermöglicht. Da die Gate-HEMT so klein ist, kann sogar eine geringe statische Aufladung zu einem Ausfall des HEMT, in der Regel in Form eines Kurzschlusses zwischen der Source-Drain-Kanal und dem Gate. Wenn ein HEMT kurzgeschlossen ist, kann die Ein-Elektronen-Kapazitätsmessung nicht ohne es weiter. Da eine beträchtliche Menge an Zeit wird in der Regel bei der Herstellung des Experiments, insbesondere bei der Abkühlung des Mikroskops auf die Basistemperatur ausgegeben sollte HEMTs für diese Experimente verwendet, indem sichergestellt wird, dass die Gate-und Source-Drain-Kanälen nie schwimmenden geschützt werden, das durch die Verbindung diese führt zu einander (WHEn Zusammenarbeit mit den kleinen goldenen Drähten auf dem Chip) oder durch Erdung sie (bei der Arbeit mit den koaxialen Draht-Verbindungen). Zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen kann durch das Tragen ein Erdungsband beim Umgang mit dem Montage-Chip oder das Mikroskop Hardware gemacht werden, vor allem bei trockenem Wetter, als auch leichte statische Aufladung des Experimentators Person kann eine HEMT entweder ruinieren durch schlichte Kurzschließen sie oder dass es zu Belastungen abzufangen in einer Weise, dass es nie ganz stabilisiert. Wenn Zweifel an der Gesundheit des HEMT, sollte man verwenden eine Kurve Tracer für die zu erwartenden Veränderungen in den Source-Drain-Eigenschaften mit angelegte Gate-Spannung (oft auch als "Fan") suchen.

Die Abmessungen der Gold-Pads auf der Montage-Chips sind nicht von großer Bedeutung, sofern sie groß genug, um erfolgreich Drahtbonden zu ermöglichen; noch viel kleiner als ein Millimeter, um eine Kopplung überschüssige Kapazität der Schaltung. Vor dem Anbringen des HEMT oder Spitze, kann es sinnvoll sein, einen Test Bindung elsew tunhier auf der Montage-Chip zu testen, wie gut Bindung erwarten kann, auf diesem Chip arbeiten. Inklusive ein paar zusätzliche Gold-Pads auf der Montage-Chip kann auch nützlich sein, wenn ein Teil der Chip ist besser geeignet, um die Bindung als andere Regionen auf dem Chip. Wenn das Verbindungsverfahren zu sein scheint Ziehen Muster von Gold aus der Einlage kann das GaAs-Chip nicht ausreichend sauber sein, bevor die Metall-Schichten wurden festgelegt oder das Gold kann mit zunehmendem Alter verschlechtert. Eine Verringerung der Ultraschall-Leistung auf der Wire Bonder verwendet kann hilfreich sein, in diesem Fall.

Indium-Lot verwendet wird, um die Gold-Leitungen zu den Koaxialkabeln wegen ihrer guten Eigenschaften bei tiefen Temperaturen zu befestigen. In ähnlicher Weise wird GaAs als Material für die Montage-Chip verwendet werden, um zu vermeiden, was zu einer thermischen Kontraktion induzierte Spannung in der HEMT, die sich auf einem GaAs-Substrat hergestellt ist. Da GaAs ist ein piezoelektrisches Material könnte eine mechanische Spannung auf dem Substratmaterial einen Kurzschluss und damit Ausfall derHEMT.

Für die Halbleiter der Experimente in Referenzen 1 und 2 verwendet wird, könnte die Probenoberfläche mit dem System als ein STM abgebildet werden. Das heißt, könnte in der Tat Elektronen tunneln direkt auf die Spitze, wenn das Gerät in STM-Modus konfiguriert wurde. Dies ist sehr nützlich, da sie einen Weg, um die Spitze in der Nähe der Probe ohne Absturz die Spitze in die Oberfläche zu bringen bietet. Eine Vorspannung in der Größenordnung von einigen wenigen bis zu einigen Volt benötigt wird, um eine stabile Tunnelstrom zu etablieren. Bei einer ausreichend hohen Vorspannung werden die Gebühren von dem darunter liegenden leitenden Schicht über der isolierenden Bereiche der Probe gezogen werden, um einen leitenden Pfütze von Ladung an der Oberfläche zu bilden; diese Pfütze wird die Spitze folgen, während die Spitze abgetastet wird. Daher kann die Oberfläche ebenso wie bei Standard-STM abgebildet werden. Tunneling-Modus kann dazu führen, elektronische Schäden für nachfolgende Messungen. Zum Beispiel besteht das Potenzial für die Probe durch die große Vorspannungen erforderlich IMA betroffenge eine halbleitende Probe-Tunneling-Modus, möglicherweise induziert transiente Aufladung der oberflächennahen Defekten. Um dieses Problem zu lösen, kann man entfernen, die große Spannung und versetzt die Spitze zu einer Region mehrere hundert Nanometer entfernt (in der Regel ohne den Einsatz von Feedback), wie im Protokoll beschrieben. Alternativ kann das Vorhandensein von Schäden an der Probe durch Durchführen CV-Spektroskopie oder indem Sie eine Kelvin-Messung ² detektiert werden.

Die Geometrie des Experiments ist mit bestimmten Eigenschaften für die Entwicklung in der Probe gerichtet sein sollte. Lokalisierung der Dotierungsschicht entlang der Richtung der Tunnel ist wichtig, da eine zu dicke Schicht Dotierstoff Mehrdeutigkeit der Bestimmung des Hebelarms hinzuzufügen. Mit anderen Worten, sollte die Dicke des Dotierungsmittels Schicht so nah wie möglich an einem einzelnen atomaren Ebene. Diese Anordnung wird als "Delta-Dotierung." Zum Beispiel in dem Experiment in Referenz 1 war die Dotierungsschicht etwa 2 nanommeter dick.

Erfolgreiche Ladungsakkumulation Abbildungsabtastungen getan, um kapazitive Merkmale von Interesse lokalisieren kann eine erhebliche Menge an Zeit, manchmal in der Größenordnung von mehreren Stunden. Im Hinblick auf Geschwindigkeit scannen, sollte jedes Pixel des Bildes zu einer Zeitdauer, vergleichbar mit mehreren Perioden von _V Versorgung, und das Ausgangsfilter des Lock-in-Verstärker sollte auf ungefähr den gleichen Wert wie die pro Pixel eingestellt werden. Drift im Mikroskop, das war nicht spürbar im Laufe von ein paar Minuten zu STM-Scan kann, um ein Verschmieren der im wesentlichen-longer-duration Ladungsakkumulation Bilder beitragen.

Das gleiche Spitze für den Tunnelbau und für Kapazität Versuchen verwendet werden haben eine andere wirksame Form aufgrund der Entfernung Abhängigkeit der jeweiligen Messung Mechanismen. Seit Tunneling ist exponentiell abhängig Abstand, in guter Näherung wird nur eine einzige Spitze Atom erhalten die meisten der aktuellen. Daher the Form der Spitze im Nanometerbereich ist meist irrelevant, solange die Spitze mechanisch stabil ist. In SCA Bildgebung, dagegen ist die Ladung auf der Spitze nachgewiesen durch Kapazität, grob gesagt, es ist umgekehrt proportional zur Entfernung und höheren Abschnitten der Spitze kann dann wirklich einen erheblichen Teil des Signals. Das heißt, die im Nanometerbereich Krümmungsradius der Spitze ist relevant für die Kapazitätsmessung Techniken. Um die Amplitude des Signals ohne räumliche Auflösung zu maximieren, sollte die Spitze Radius in etwa gleich der Tiefe der Dotierungsschicht unter der Oberfläche ^8,9.

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