Summary
Spettroscopia capacitanza singolo elettrone-scanning probe facilita lo studio del moto a singolo elettrone in regioni localizzate sottosuolo. Un circuito di carica-rivelazione sensibile è integrato in una sonda criogenica scansione microscopio per indagare piccoli sistemi di atomi di drogante sotto la superficie dei campioni semiconduttori.
Abstract
L'integrazione di bassa temperatura tecniche di scansione-sonda e spettroscopia di capacità a singolo elettrone rappresenta un potente strumento per studiare la struttura elettronica quantistica dei sistemi di piccole dimensioni - tra cui singole droganti atomiche nei semiconduttori. Qui vi presentiamo un metodo capacità-based, nota come Subsurface carica Accumulo (SCA), l'imaging, che è in grado di risolvere la ricarica a singolo elettrone, ottenendo sufficiente risoluzione spaziale di immagini singole droganti atomiche. L'uso di una tecnica di capacitanza permette l'osservazione di caratteristiche sottosuolo, come droganti sepolti molti nanometri sotto la superficie di un materiale semiconduttore 1,2,3. In linea di principio, questa tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema per risolvere movimento dell'elettrone sotto una superficie isolante.
Come in altre tecniche scansionata-sonda di campo elettrico sensibili 4, la risoluzione spaziale laterale della misura dipende in parte dal raggio curvature della punta della sonda. Utilizzando punte con un piccolo raggio di curvatura può abilitare la risoluzione spaziale di poche decine di nanometri. Questa risoluzione spaziale fine permette indagini di piccoli numeri (fino a uno) di droganti sottosuolo 1,2. La risoluzione di carica dipende molto dalla sensibilità del circuito di rivelazione di carica; utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT) in tali circuiti a temperature criogeniche permette una sensibilità di circa 0.01 elettroni / Hz ½ a 0.3 K 5.
Introduction
Subsurface carica accumulo di imaging (SCA) è un metodo a bassa temperatura in grado di risolvere gli eventi di ricarica a singolo elettrone. Quando applicata allo studio di atomi droganti nei semiconduttori, il metodo può rilevare singoli elettroni entrano donatore o accettore atomi, permettendo caratterizzazione della struttura quantistica di questi sistemi minuti. Nel suo cuore, SCA imaging è una misura di capacità locale 6 particolarmente adatto per il funzionamento criogenico. Poiché la capacità è basata sul campo elettrico, è un effetto a lungo raggio che può risolvere ricarica sotto superfici isolanti 6. Funzionamento criogenico permette indagini di movimento a singolo elettrone e il livello di spaziatura quantistico che sarebbe irrisolvibile a temperatura ambiente 1,2. La tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema in cui il movimento di elettroni sotto una superficie isolante è importante, comprese le dinamiche di carica in sistemi di elettroni bidimensionali alle interfacce sepolte 7, per brevità, qui l'attenzione sarà su studi di droganti semiconduttori.
Al livello più schematico, questa tecnica tratta il puntale digitalizzata come una piastra di un condensatore piano, anche se realistica analisi richiede una descrizione più dettagliata per tenere conto della curvatura della punta 8,9. L'altra armatura in questo modello è una regione nanoscala dello strato conduttore sottostante, come mostrato in Figura 1. Essenzialmente, come una carica entra in un drogante in risposta a una tensione di eccitazione periodica, si avvicina alla punta, e questo movimento induce più carica immagine sulla punta, che viene rilevata con il circuito sensore 5. Similmente, come la carica esce dal droganti, la carica immagine sulla punta diminuisce. Quindi il segnale periodico di carica in risposta alla tensione di eccitazione è il segnale rilevato - essenzialmente è capacitanza; quindi questa misura viene spesso indicato come determinare le caratteristiche CV del sistema.
tenda "> Durante la misura di capacità, l'unica rete di tunnel si trova tra lo strato conduttivo di fondo e lo strato di drogante -. charge mai tunnel direttamente sulla punta La mancanza di diretta tunneling da o verso la punta durante la misurazione è una differenza importante tra questo tecnica e il più familiare microscopia ad effetto tunnel, anche se gran parte dell'hardware per questo sistema è essenzialmente identica a quella di un microscopio a scansione tunnel. E 'anche importante notare che SCA imaging non è direttamente sensibile alle cariche elettrostatiche. Per ricerche di carica statica distribuzioni, la scansione Kelvin Probe Microscopy o microscopia a forza elettrostatica è appropriato Ulteriori metodi criogenici per l'esame di comportamento elettronico locale esiste che hanno anche una buona risoluzione elettronica e spaziale,., ad esempio, la scansione di transistor a singolo elettrone è un altro metodo di microscopia a scansione di sonda in grado di rilevare minuti di ricarica Effetti 4,10. SCA di imaging è stato originariamentesviluppato al MIT da Tessmer, Glicofridis, Ashoori e collaboratori 7, inoltre, il metodo descritto qui può essere considerato come una versione a scansione di sonda del metodo Spettroscopia Capacità singolo elettrone sviluppato da Ashoori e collaboratori 11. Un elemento chiave della misura è un circuito di carica di rilevamento estremamente sensibile 5,12 utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT), ma può raggiungere un livello di rumore a partire da 0.01 elettroni / Hz ½ a 0,3 K, la temperatura di base del criostato in riferimento 5. Tale elevata sensibilità consente l'osservazione di ricarica a singolo elettrone in sistemi sottosuolo. Questo metodo è adatto per lo studio di elettroni o buco dinamiche individuali o piccoli gruppi di droganti nei semiconduttori, con le tipiche densità areali droganti dell'ordine di 10 15 m-2 in una geometria piana 2. Un esempio di una configurazione di esempio tipico per questo tipo di esperimento è mostrato in Figura 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. PROTOCOLLO
- Configurazione iniziale del microscopio ed elettronica
- Iniziare con un criogenico-grado microscopio a scansione elettronica con sonda di controllo associati. I microscopi utilizzati per la ricerca descritta qui usa la traduzione inerziale a "camminare" il campione verso e lontano dalla punta lungo rampe 13 (fatto da un materiale conduttore come rame, ottone o acciaio inox per consentire loro di trasmettere tensione di polarizzazione al campione) come parte di un disegno Besocke STM 14, schematicamente illustrato in figura 2.
- Oltre alla tensione di polarizzazione e fili coassiali corrente di tunnel, fornire almeno altri due fili coassiali e un filo di terra che si estendono dal rack dell'elettronica vicino alla zona punta del microscopio per azionare il circuito amplificatore criogenico per il rilevamento carica sensibili. Assemblare gli elementi del circuito amplificatore, descritta in dettaglio nel Bibliografia 5, 12, e 15, che sono alloggiati sulla electronics cremagliera, questa è la porzione del circuito fuori area ombreggiata nella figura 2. Questa parte del circuito rimarrà a temperatura ambiente durante l'esperimento.
- Montare il chip di montaggio per la punta e circuito HEMT (casella ombreggiata in figura 2), il circuito HEMT sarà abbassato a temperatura criogenica di ottenere risoluzione ottimale di energia.
- Cleave un chip quadrato di dimensioni approssimativamente di 1 cm x 1 cm dal un wafer di GaAs utilizzando uno scriba, il circuito del sensore e la punta saranno montate su questo chip. Cassetta di circa 100 nm d'oro in cima a un titanio attaccare strato attraverso una shadowmask sul chip GaAs per formare diversi rilievi in oro, ciascuno di dimensioni a circa 1 mm x 1 mm, a cui fili dal HEMT e la resistenza di polarizzazione saranno incollati. Le dimensioni degli elettrodi non sono critiche.
- Preparare una punta STM tagliente tagliando meccanicamente un 80:20 Pt: filo di Ir con tronchesine. La punta può anche essere preparato chimico acquaforte or un altro metodo o può essere acquistato in commercio. Determinare il raggio di curvatura della punta tramite microscopia elettronica a scansione, il raggio di curvatura deve essere dell'ordine della risoluzione spaziale necessaria per l'esperimento.
- Epossidica un filo d'oro su ciascuno dei pad dorati utilizzando epossidico conduttivo di sopportare temperature criogeniche; questi fili si collegheranno gli elementi del circuito sul chip di montaggio per i cavi coassiali sul microscopio. Poiché i fili d'oro possono essere facilmente rimossi dopo il passo successivo, se non sono necessari, epossi pochi fili d'oro ridondanti sulle pastiglie. Epoxy il HEMT, il resistore di polarizzazione, e la punta STM sulle GaAs chip di montaggio. Curare la resina epossidica come indicato nel suo foglio informativo del prodotto. (Vedere la tabella dei materiali sotto per i dettagli.)
- Utilizzo di un bonder filo caricato con filo d'oro, legame la fonte, scarico, e gli elementi cancello del HEMT per separare pad dorati sul chip GaAs. Obbligazioni collegamenti temporanei collegano il gate e source or rilievi di scarico al fine di garantire il cancello non diventi carico rispetto al canale source-drain. Utilizzare una cinghia di messa a terra per una maggiore sicurezza durante la manipolazione del HEMT, è importante prendere precauzioni per evitare l'introduzione di randagi cariche elettrostatiche che potrebbero distruggere il HEMT.
- Memorizzare il chip montaggio predisposta con i fili collegati al cancello e al canale source-drain del HEMT collegati elettricamente tra loro per evitare corto circuiti HEMT. Se i fili temporanee menzionate nella fase precedente sono stati rimossi, ruotare delicatamente i fili insieme. È semplice per collegare tutti i fili tra loro.
- Attaccare il chip di montaggio al microscopio.
- Assicurarsi che i canali di gate e source-drain sono mai fluttuante, questo è per evitare cortocircuiti distruttive tra il cancello e source-drain canali del HEMT. Mettere a terra i cavi coassiali sul microscopio a cui verranno saldati i fili del chip.
- Fissare il chip di montaggio in cima tegli piezotube scansione, come mostrato in Figura 2.
- Saldare i fili d'oro estendono dal chip di montaggio per i cavi coassiali pertinenti utilizzando indio saldare.
- Verificare l'integrità del HEMT utilizzando un tracciante curva collegata ai cavi coassiali a rack di elettronica. Essenzialmente, il tracciante curva mostra i source-drain caratteristiche corrente-tensione. La modalità di guasto più comune è una breve tra il cancello HEMT e il suo canale source-drain, che si traduce in caratteristiche source-drain insensibili alla tensione di gate.
- Montare il campione. Camminare in campo con il microscopio configurata in modalità STM per garantire che il campione successo avvicinare la punta.
- Collegare il filo T al preamplificatore usato per STM tunneling misure di corrente e collegare DC tensione di polarizzazione V DC per filo B. (Tutti i collegamenti sono realizzati presso il rack di elettronica.)
- A piedi fino a quando il campione e la punta sono in campo tunneling. Quando nel RAESN, il piezotube scansione dovrebbe rimanere esteso leggermente dalla sua posizione di equilibrio in modo che la messa a terra della piezotube scansione causerà la punta di ritirare dalla sua estensione in gamma. Ciò verifica che il campione può avvicinarsi correttamente la punta. Passeggiata fuori campo dopo aver fatto questo, per proteggere la punta durante le prossime azioni.
- Trasferire il microscopio dal laboratorio al banco dewar per eventuale funzionamento a bassa temperatura. A questo punto, la fase di test è completa e la fase sperimentale può iniziare.
- Pompare fuori il microscopio ad un vuoto di pochi microtorr. Raffreddare il microscopio a 4,2 K o inferiore per la risoluzione ottimale di energia, seguendo la procedura descritta nel manuale per il criostato.
- Dopo raffreddamento il microscopio alla sua temperatura di base, concedere al microscopio sufficiente per raggiungere l'equilibrio termico; poiché ripetute, lunghe scansioni della stessa area saranno effettuate, è importante minimizzare la deriva termica. (Drift èuno spostamento nella posizione di equilibrio della punta rispetto al campione.)
- Sospendere il dewar di isolare il microscopio più possibile da vibrazioni dovute ad accoppiamento meccanico alla costruzione e alle pompe per vuoto e altri dispositivi collegati al microscopio e dewar. Questo può essere fatto utilizzando un sistema di sospensione corda elastica, come nel riferimento 15, oppure utilizzando molle ad aria o un metodo simile.
- Dopo il raffreddamento del microscopio e prima di tentare di raccolta dati, verificare l'integrità del HEMT nuovamente utilizzando il tracciante curva.
- Eseguire la scansione del campione in modalità tunnel (STM).
- Entrate in campo. Individuare una regione della superficie del campione che è libero da detriti e da un'altezza considerevole o variazioni di conducibilità, e garantire la punta è stabile.
- Corretta per qualsiasi inclinazione del campione, questo è particolarmente importante perché le scansioni di capacità saranno effettuati con il circuito di feedback disabilitato, quindi la punta potrebbe schiantarsi sulla superficie se la scanning piano non è parallelo alla superficie del campione. In linea di principio, si potrebbe utilizzare il segnale di capacitanza con feedback per mantenere una capacità costante durante la scansione della punta, tuttavia, in pratica, il segnale non è sufficientemente robusto per impedire un incidente se si utilizza retroazione.
- Osservare qualsiasi deriva termica in modo che possa essere compensata riposizionando compensato la punta. Notare la quantità di estensione della punta, mentre in gamma in modalità tunnel, di cui al presente protocollo come il punto di contatto.
- Spostarsi in una zona imperturbata del campione, uno che non è stato sottoposto a scansione in modalità STM.
- Disabilitare l'anello di retroazione nel controllore STM. Ricordiamo che quando il circuito di feedback è disabilitato, movimenti manuali della punta potrebbe involontariamente causare un crash. Grande attenzione deve quindi essere preso mentre si muove la punta.
- Ritrarre la punta poche decine di nanometri dal punto di tocco.
- Compensare la posizione laterale della punta di una zona del campione WHI vicinach non è stato recentemente acquisito, per evitare eventuali perturbazioni (come la carica di siti droganti semiconduttore) la tensione di polarizzazione necessaria per attivare il tunneling attraverso il campione semiconduttore per la scansione STM può aver indotto.
- Cautamente estendere la punta verso la superficie fino a quando lo spostamento punta di estensione equilibrio è vicino in grandezza al punto di contatto.
- Passa alla modalità di configurazione del cablaggio capacità.
- Collegare a terra tutti i cavi coassiali per proteggere il HEMT.
- Collegare i cavi coassiali alle sorgenti di tensione pertinenti e resistenze e al blocco amplificatore e il generatore di funzione, come mostrato in Figura 2.
- Accendere tutte le fonti di tensione. Per evitare di scioccare l'HEMT, iniziare con uscite della sorgente di tensione a 0 V.
- I cavi coassiali non macinato, ricordando di mantenere il gate e il canale di source-drain del HEMT collegate fra loro a lungo possibile al fine di proteggere la HEMT.
- Impostare la vsorgente oltage sul resistore partitore di tensione (filo D).
- Accordare la HEMT per la sua regione più sensibile attraverso il monitoraggio della tensione ai capi del filo L con un multimetro durante la regolazione V sintonia. Riattaccare filo L alla amplificatore lock-in dopo.
- Aumentare V tune finché il segnale in fase sulla serratura-in amplificatore aumenta e comincia a plateau; Registrare questo valore di V melodia, che è la tensione applicata alla punta. In questo modo tutta la carica dalla misurazione per andare al HEMT invece di perdite attraverso il filo L.
- Ottimizzare la fase interna del amplificatore lock-in utilizzando la sua abilità Autophase e registrare il valore di fase.
- Attendere la HEMT di stabilizzare per garantire non ci sono effetti termici significativi (questo richiede spesso fino a due ore).
- Bilanciare il HEMT regolando il segnale sul condensatore standard per garantire che solo il segnale di interesse va al amplificatore di blocco. Regolazioni del segnale sulcondensatore standard può essere fatto sia per l'ampiezza di equilibrio V o alla fase relativa tra equilibrio V e V eccitazione. Il HEMT è considerato modulare quando il segnale in fase sul amplificatore di blocco è minimizzato in questa fase della procedura.
- Eseguire la scansione di immagini accumulo di carica.
- Impostare la tensione di polarizzazione V DC DC sul campione.
- Estendere la punta di 1 nm all'interno della superficie, utilizzando il punto di contatto come riferimento.
- Registrare l'uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati, questo è il segnale di interesse.
- Eseguire la scansione del campione. Avere buona risoluzione, le scansioni possono dover essere acquisita al tasso di diverse ore per scansione per consentire sufficiente media del segnale per ogni pixel e per prevenire sbavature del segnale attraverso pixel adiacenti dell'immagine. Eseguire varie scansioni sulla stessa area, e questi media scansioni insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore.
- Eseguire capacitanza spettroscopia (CV) con la punta stazionaria sopra una caratteristica sottosuolo di interesse nell'immagine accumulo di carica acquisita durante il passaggio precedente.
- Rampa V DC e registrare l'uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati.
- Richiedere diverse capacità vs tensione (CV) curve nella stessa posizione, e la media queste curve insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore. Tipicamente, un paio di curve sono mediati insieme. Mentre le curve media migliora il rapporto segnale-rumore, a causa del potenziale di deriva durante le scansioni, solo una manciata di scansioni successive necessario calcolare una media insieme.
- Tornare alla modalità tunnel (STM).
- Ritrarre la punta alla sua estensione equilibrio e riconfigurare l'elettronica per STM. Riattivare il ciclo di feedback e registrare il presente in gamma-estensione della punta (punto di contatto).
- Eseguire la scansione della zona in modalità tunneling per cercare le caratteristiche in cimafia che può aver generato artefatti nella capacitanza di imaging e spettroscopia capacitanza.
- Analizzare e interpretare i dati, a seguito di riferimento 9 e le informazioni a sostegno di riferimento 1.
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Representative Results
L'indicatore principale di una misura di successo è la riproducibilità, tanto come in altri metodi a scansione di sonda. Misurazioni ripetute sono molto importanti per questo motivo. Per spettroscopia capacitanza punto, prendendo molti misurazioni in successione nella stessa posizione contribuisce ad aumentare il rapporto segnale-rumore e identificare segnali spuri.
Una volta che una caratteristica di interesse è stato identificato all'interno dell'immagine accumulo di carica e spettroscopia capacitanza è stata eseguita, l'interpretazione dei dati CV inizia determinando il braccio della leva di tensione. Il braccio di leva di tensione è il fattore di scala in relazione l'effettivo potenziale nella posizione del drogante al V DC applicata. Essa rappresenta essenzialmente alla distanza zero della punta dallo strato drogante e per qualsiasi offset del drogante dalla posizione direttamente sotto la punta laterale. Il braccio di leva di tensione viene trovata inserendo una funzione Lorentzian al CV spettroscopia dati 1,8 </ Sup>. Se si desidera una scala di tensione assoluta, il potenziale di contatto (tensione a cui non linee di campo elettrico dal campione terminano alla punta) dovrebbe essere determinata mediante una sonda di misura Kelvin 1,2,3,7.
Figura 3 (a) mostra un esempio di immagine accumulo di carica con spettroscopia CV acquisita al punto indicato. Il campione era di silicio, drogato con accettori di boro con una densità areale di 1,7 x 10 15 m -2 in uno strato delta-drogato 15 nm sotto la superficie. Colori più brillanti indicano una maggiore carica. I punti luminosi sono interpretati come segna la posizione dei singoli atomi di boro del sottosuolo. Il punto blu indica un particolare punto luminoso punto dove è stata eseguita CV spettroscopia 1, come mostrato nella Figura 3 (b). Il picco maggiore è interpretato da carico entrare il drogante direttamente sotto la punta. Cime vicine sono a causa di droganti vicini. I loro centri sono spostati e ampiezze deaumentata rispetto al picco principale poiché la maggiore distanza di questi droganti dalla punta cambia loro parametri braccio di leva. I picchi sono allargate lungo l'asse di tensione sostanzialmente quattro effetti: (1) il braccio di leva, (2) termica ampliamento, (3) l'ampiezza della tensione di eccitazione, e (4) il filtro del amplificatore di blocco uscita. Questi effetti sono contabilizzati nel modello, come dimostra il buon accordo tra la curva modello sovrapposto 1 e dei dati.
Figura 4 (a) mostra una serie di picchi di carica, simile alla figura 3 (b). In questo caso, il campione era, GaAs drogato con donatori di silicio con una densità areale di 1,25 x 10 16 m -2 in uno strato delta-drogato 60 nm sotto la superficie. A causa della elevata densità di drogante, la maggior parte delle caratteristiche spettroscopiche in questo esperimento riflettono molti gruppi di elettroni. Picchi sono identificati da montaggio; interpretazione di un picco attribuibile ad un singLe elettrone deriva dalla sua forma e consistenza in ampiezza con la forma previsto di un picco singolo elettrone. Una manciata di picchi singolo elettrone sono stati risolti in questo esperimento 2, una delle quali è indicata dalla freccia rossa. Figura 4 (b) e 4 (c) concentrarsi su questo picco, mostrando che ha la forma prevista per un singolo Effetto elettrone. La vestibilità in figura 4 (c) è una mezza ellisse 16 convoluta con funzioni di contabilità per gli effetti di picco-ampliamento sopra descritti. Questa forma ha due parametri liberi: il centro del picco e il braccio di leva. Le tre curve CV in figura 4 (b) sono misure di spettroscopia sequenziali sulla stessa caratteristica. La quantità di dispersione dei dati in figura 4 (b) è tipica; media più curve insieme, come si fa in figura 4 (a), i risultati in struttura più picco facilmente identificabili, che è il motivo facendo più curve CV sulstessa caratteristica è molto importante per migliorare il rapporto segnale-rumore.
Figura 1. Schema di un tipico esempio. Schema di un tipico esempio per la scansione-sonda esperimenti di capacità a singolo elettrone. Il campione è un semiconduttore con uno strato conduttore sottostante ad una profondità noto dalla superficie a cui vengono applicate le tensioni di polarizzazione e di eccitazione. Uno strato bidimensionale di droganti è incorporato, anche ad una profondità conosciuta dalla superficie. Elettroni tunnel tra strato conduttore e lo strato di drogante, modificando la capacità del sistema e inducendo una carica un'immagine nella punta che viene misurata dal dispositivo di carica-sensibile. Una tensione sufficientemente alta polarizzazione consentirà elettroni tunnel tra lo strato di drogante e uno stato di superficie pure, enabling loro individuazione in superficie da STM.
Figura 2. Schema del microscopio e di carica-sensing Apparatus. Schema elettrico per l'amplificatore descritto in riferimento 5 e sulla base di riferimento 12. Chip di montaggio è mostrato in posizione su una schematica di un Besocke-design 14 microscopio a scansione sonda con rampe 13 e del campione (non in scala). Filo B fornisce la tensione di polarizzazione del campione, tra cui la tensione di eccitazione CA utilizzato per incitare tunneling da e droganti sottosuolo. Filo C è collegato al condensatore di serie e la sorgente di tensione alternata sintonizzabile che consente bilanciamento del HEMT. L filo collega al amplificatore di blocco da cui è registrato il segnale capacitanza, e filo D collega a una sorgente di tensione attraverso una resistenza di creare avdivisore oltage, l'uscita del divisore di tensione è il segnale inviato al amplificatore di blocco. Durante misure di capacità, filo T è collegato ad una sorgente di tensione regolabile attraverso una grande resistenza per impedire la carica AC sulla punta fuoriesca giù questa via. Nel tunnel (STM) modalità, filo T diventa il filo corrente di tunnel (con sorgente di tensione scollegata), filo B rimane collegato a una sorgente di tensione continua, e tutti gli altri fili sono fondate. Una scelta tipica per la resistenza di partitore di tensione sul filo D è 100 k con una tensione sul filo D di 1,25 V. La scelta di capacità standard dovrebbe contrastare il fondo punta-campione capacità reciproca, che è di circa 20 ss. La resistenza di polarizzazione sul filo T dovrebbe essere nel quartiere di 20 MW. Queste scelte mirano a regolare la resistenza del canale HEMT source-drain al suo regime più sensibile.
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Figura 3. SCA immagine e CV Spectroscopy on-accettore drogato Si (a) Scansione immagine accumulo di carica di un campione di silicio drogato con uno strato di accettori di boro densità areale 1,7 x 10 15 m -2 situati 15 nm sotto la superficie 1;. V DC = 75 mV, V eccitazione = 3.7 mV, la temperatura era 4,2 K. (b) spettroscopia CV acquisito nel punto (a), indicato dal punto blu. Per mettere a fuoco la struttura di punta, la linea di fondo è stato sottratto. La scala di tensione è stato spostato in modo che zero è il centro del picco più grande; poiché nessuna misura Kelvin probe stato fatto durante questo esperimento per determinare la scala di tensione assoluta, questo spostamento è una questione di convenienza.
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Figura 4. . CV Spettroscopia Analisi su donatori drogati GaAs (a) spettroscopia CV acquisita il GaAs, drogato con uno strato di silicio donatori di densità areale 1,25 x 10 16 m -2 situata a 60 nm di sotto della superficie 2; eccitazione V = 15 mV; l' temperatura era di 0,3 K. La freccia rossa indica un picco che è stato ulteriormente indagato (b) più dettagliate singole misure di spettroscopia CV di picco indicato in (a), con la tensione centrata sulla vetta,.. V eccitazione = 3,8 mV (c) dati medi delle molteplici curve mostrate in (b). Il fit, in verde, i conti per quattro effetti che ampliano la vetta: il braccio di leva, termico ampliamento, l'ampiezza della tensione di eccitazione, e il filtro di uscita del amplificatore lock-in. In (b) e (c) (a), la conversione in un valore di capacità C = via AQ tip / V eccitazione non è stata fatta.
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Discussion
Una spiegazione dettagliata della base teorica per questo metodo sperimentale è dato in Riferimenti 8 e 9 e discusso rispetto allo scenario di droganti nel sottosuolo di riferimento 2; la panoramica qui presentata sarà pertanto essere breve e concettuale. La punta è trattato come una piastra di un condensatore, e lo strato conduttore sottostante il campione comprende l'altra piastra. Se viene applicata tensione DC in modo elettroni sono tirati verso la punta, e se vi è un atomo di drogante situata tra il sottostante strato conduttore e la punta che può ospitare un costo aggiuntivo, allora l'elettrone entreranno nella drogante e quindi avvicinarsi alla la punta. Dal elettrostatica, il movimento di questo elettrone deve indurre una carica un'immagine di segno opposto sulla punta. La tensione di eccitazione sinusoidale (V eccitazione) che viene riassunta nella tensione CC causerà l'elettrone di risuonare tra lo strato di substrato e il drogante. A sua volta, l'immagine addebita wmalato anche risuonano, dando un segnale AC che viene rilevata dal circuito di carica-rivelazione sensibile utilizzando il HEMT e ulteriormente amplificato con un amplificatore di blocco. Questo segnale di carica può poi essere convertito in una capacitanza.
La modalità di guasto più comune di questo esperimento comporta danno al circuito HEMT che consente il rilevamento di carica sensibile. Poiché il cancello HEMT è così piccolo, anche un piccolo accumulo di carica statica può causare un guasto del HEMT, di solito sotto forma di una breve tra il canale di source-drain e il gate. Se un HEMT è in corto, la misura di capacità a singolo elettrone non può continuare senza sostituirlo. Poiché una quantità apprezzabile di tempo è generalmente speso nel preparare l'esperimento, particolarmente nel raffreddare il microscopio fino alla sua temperatura di base, HEMT utilizzati per questi esperimenti dovrebbero essere protetti da garantire che i canali di porta e sorgente-drain sono mai galleggiante, sia collegando questi cavi tra di loro (when lavorare con i piccoli fili d'oro sul chip) o da loro (quando si lavora con i collegamenti dei cavi coassiali), la messa a terra. Ulteriori precauzioni possono essere prese indossando una cinghia di messa a terra durante la gestione del chip di montaggio o l'hardware microscopio, soprattutto con tempo asciutto, come carica statica anche lieve da persona dello sperimentatore può rovinare un HEMT sia a titolo definitivo corto circuito o facendolo intrappolare oneri in modo tale che non è mai abbastanza stabilizza. In caso di dubbio circa la salute del HEMT, si dovrebbe usare un tracciante curva per cercare le variazioni attese nelle caratteristiche source-drain con applicata tensione di gate (spesso chiamato il "fan").
Le dimensioni dei pad dorati sul chip di montaggio non sono di grande importanza, purché siano abbastanza grandi da permettere filo successo bonding, ma molto più piccolo di un millimetro per evitare l'eccesso di capacità di accoppiamento al circuito. Prima di applicare il HEMT o la punta, può essere utile fare un elsew legame provaqui sul chip di montaggio per testare quanto bene legame può essere previsto per lavorare su quel chip. Compresi alcuni rilievi in più oro sul chip di montaggio può anche essere utile nel caso in cui una parte del chip è più suscettibile di adesione di altre regioni sul chip. Se il processo di legame sembra essere tirando campioni di oro fuori del pad, il chip GaAs non può essere stato sufficientemente pulito prima gli strati di metallo sono state fissate o l'oro potrebbero essere peggiorate con l'età. Diminuendo la potenza ultrasonica utilizzata sul bonder filo può essere utile in questo caso.
Indio saldatura è utilizzato per collegare i fili d'oro per i cavi coassiali per le sue buone proprietà a temperature criogeniche. Analogamente, GaAs viene utilizzato come materiale per il chip montaggio per evitare di causare un ceppo termico-contrazione indotta nel HEMT, essa stessa fabbricato su un substrato di GaAs. Poiché GaAs è un materiale piezoelettrico, uno sforzo meccanico sul substrato potrebbe causare un guasto di breve e conseguenteHEMT.
Per i semiconduttori utilizzati negli esperimenti nei riferimenti 1 e 2, la superficie del campione potrebbe essere ripreso utilizzando il sistema come un STM. Vale a dire, gli elettroni potrebbero effettivamente del tunnel direttamente sulla punta quando l'apparecchio è stato configurato in modalità STM. Questo è molto utile in quanto fornisce un modo per portare la punta vicino al campione senza schiantarsi la punta nella superficie. Una tensione di polarizzazione dell'ordine di pochi a parecchi volt è necessario per stabilire una corrente di tunnel stabile. Con una tensione sufficientemente elevata polarizzazione, spese saranno tirati dallo strato sottostante lo svolgimento di tutti i regioni di isolamento del campione per formare una pozza conduzione di carica in superficie, questa pozzanghera seguirà la punta come la punta viene scansionato. Quindi la superficie può essere ripreso come in STM standard. Modalità tunneling può causare danni elettronico per misurazioni successive. Ad esempio, esiste il potenziale per il campione da risentire dei grandi tensioni di polarizzazione richiesti per image un semiconduttore campione in modalità tunneling, eventualmente inducendo carica transitoria di difetti in prossimità della superficie. Per risolvere questo, si può rimuovere la grande tensione di offset e la punta di una regione di diverse centinaia di nanometri di distanza (tipicamente senza l'uso di feedback), come descritto nel protocollo. In alternativa, la presenza di danni al campione può essere rilevata eseguendo spettroscopia CV o facendo una sonda Kelvin misurazione 2.
La geometria dell'esperimento implica determinate caratteristiche dovrebbero essere mirati per lo sviluppo del campione. Localizzazione dello strato di drogante lungo la direzione di tunneling è importante, come strato drogante eccessivamente spessa aggiungerà ambiguità alla determinazione del braccio di leva. In altre parole, lo spessore dello strato di drogante deve essere il più vicino possibile ad un singolo piano atomico. Questa disposizione è indicato come "delta doping." Per esempio, nell'esperimento nel riferimento 1, lo strato di drogante è stato di circa 2 nanometri di spessore.
Scansioni di immagini accumulo di carica successo fatto individuare elementi capacitivi di interesse possono richiedere una notevole quantità di tempo, a volte dell'ordine di parecchie ore. Per quanto riguarda la velocità di scansione, ogni pixel dell'immagine dovrebbe prendere una quantità di tempo comparabile a diversi periodi di eccitazione V, e il filtro di uscita del amplificatore di blocco deve essere impostata a un valore approssimativamente uguale al tempo per pixel. Deriva nel microscopio che non era evidente nel corso di una scansione STM pochi minuti può contribuire alla lubrificando le immagini accumulo di carica sostanzialmente-più-durata.
La stessa punta utilizzata per il tunnelling e per esperimenti capacitanza avrà una diversa forma efficace dovuta alla dipendenza distanza dei rispettivi meccanismi di misurazione. Poiché tunneling è esponenzialmente dipende distanza, con buona approssimazione, solo un singolo atomo punta riceverà la maggior parte della corrente. Quindi The la forma della punta della scala nanometrica è per lo più irrilevante, fintanto che l'apice è meccanicamente stabile. In SCA di imaging, per contro, la carica rilevata sulla punta è dovuto al condensatore; grosso modo, è inversamente proporzionale alla distanza e le porzioni superiori della punta può infatti ricevere una frazione significativa del segnale. Ciò significa che il raggio di curvatura della punta scala nanometrica è rilevante per le tecniche di misura di capacità. Per massimizzare l'ampiezza del segnale senza compromettere la risoluzione spaziale, il raggio punta dovrebbe essere approssimativamente uguale alla profondità dello strato di drogante sotto la superficie 8,9.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
La ricerca è discusso qui è stata sostenuta dalla Michigan State University Institute di Scienze Quantum e la National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, e DMR-0.605.801. KW riconosce il sostegno di un Dipartimento di Formazione Interdisciplinare GAANN Bioelectronics Training Fellowship Program statunitense.
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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