Sonde à balayage spectroscopie de capacité unique électron

Summary

Spectroscopie de capacitance à électron unique sonde à balayage facilite l'étude du mouvement à un seul électron dans les régions souterraines localisées. Un circuit de charge-détection sensible est incorporé dans un microscope à sonde à balayage pour étudier cryogénique petits systèmes d'atomes de dopant sous la surface d'échantillons de semi-conducteurs.

Abstract

L'intégration des techniques de sonde à balayage à basse température et de la spectroscopie de capacité à électron unique représente un outil puissant pour étudier la structure électronique quantique de petits systèmes – y compris dopants atomiques individuelles dans les semi-conducteurs. Nous présentons ici une méthode basée sur la capacité, connue sous le nom de charge du sous-sol Accumulation (SCA) d'imagerie, qui est capable de résoudre charge à électron unique, tout en réalisant une résolution spatiale suffisante pour images dopants atomiques individuelles. L'utilisation d'une technique de capacité permet l'observation des caractéristiques du sous-sol, tels que les dopants enterrées plusieurs nanomètres sous la surface d'un matériau semi-conducteur ^1,2,3. En principe, cette technique peut être appliquée à n'importe quel système pour résoudre mouvement des électrons sous une surface isolante.

Comme dans d'autres techniques numérisé-sonde de champ électrique sensibles à ^4, la résolution spatiale latérale de la mesure dépend en partie du rayon de curvature de la pointe de la sonde. Utilisant des bouts avec un faible rayon de courbure peut permettre une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Cette résolution spatiale fine permet enquêtes sur les petits numéros (à un seul) de dopants subsurface ^1,2. La résolution de charge dépend fortement de la sensibilité du circuit de détection de charge; utilisant des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) dans ces circuits à des températures cryogéniques permet une sensibilité d'environ 0,01 électrons / Hz ^½ à 0,3 K ^5.

Introduction

Accumulation imagerie de charge du sous-sol (SCA) est une méthode à basse température capable de résoudre les événements de charge à électron unique. Lorsqu'elle est appliquée à l'étude des atomes dopants dans les semi-conducteurs, la méthode peut détecter des électrons individuels entrant donneur ou accepteur atomes, permettant la caractérisation de la structure quantique de ces systèmes minute. En son cœur, l'imagerie SCA est une mesure de la capacité locale ⁶ bien adapté pour un fonctionnement cryogénique. Parce que la capacité est basée sur un champ électrique, c'est un effet à long terme qui peut résoudre charge sous les surfaces isolant ^6. Opération cryogénique permet d'étudier de mouvement à un seul électron et de l'espacement de niveau quantique qui seraient insolubles à température ambiante ^1,2. La technique peut être appliquée à n'importe quel système dans lequel le mouvement des électrons sous une surface isolante est important, y compris la dynamique de charge dans les systèmes d'électrons bidimensionnel aux interfaces enterrées ^7; par souci de concision, l'accent sera mis sur l'étude des dopants de semi-conducteurs.

Au niveau le plus schématique, cette technique traite la pointe numérisée comme une plaque d'un condensateur à plaques parallèles, bien que l'analyse réaliste exige une description plus détaillée de rendre compte de la courbure de la pointe ^8,9. L'autre armature de ce modèle est une région échelle nanométrique de la couche conductrice sous-jacente, comme indiqué sur la figure 1. Pour l'essentiel, comme une charge entre un dopant en réponse à une tension d'excitation périodique, il se rapproche de la pointe, ce qui induit un mouvement plus l'image chargée sur la pointe, qui est détectée par le circuit de détection ^5. De même, comme la charge de quitter le dopant, la charge d'image sur la pointe est diminuée. Ainsi, le signal de charge périodique en réponse à la tension d'excitation est le signal détecté – il s'agit essentiellement capacité, donc cette mesure est souvent désigné comme la détermination des caractéristiques CV du système.

tente "> Lors de la mesure de capacité, le tunnel seulement net se situe entre la couche conductrice sous-jacente et la couche de dopant -. Ne jamais charger tunnels directement sur la pointe Le manque de tunnel ou de la pointe directe lors de la mesure est une différence importante entre cette technique et le plus familier microscopie à effet tunnel, même si une grande partie du matériel de ce système est essentiellement identique à celle d'un microscope à effet tunnel. Il est également important de noter que l'imagerie SCA n'est pas directement sensibles aux charges électrostatiques. Pour les enquêtes de charge statique distributions, la numérisation Kelvin microscopie à sonde ou la microscopie à force électrostatique est approprié méthodes cryogéniques supplémentaires pour examiner le comportement électronique local existent qui ont également une bonne résolution électronique et spatiale;. par exemple, la numérisation transistor microscopie électron unique est une autre méthode de sonde à balayage capable de détecter minute de charge effets ^4,10. imagerie SCA était à l'originedéveloppé au MIT par Tessmer, Glicofridis, Ashoori, et ses collègues ^7, d'ailleurs, la méthode décrite ici peut être considéré comme une version à sonde de balayage de la méthode de spectroscopie Capacité à électron unique développé par Ashoori et ses collègues ^11. Un élément clé de la mesure est un circuit de charge de détection extrêmement sensibles ^5,12 utilisant des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT), il peut atteindre un niveau de bruit aussi bas que 0.01 électrons / Hz ^½ à 0,3 K, la température de base du cryostat en référence 5. Une telle sensibilité élevée permet l'observation de la charge à un seul électron dans les systèmes souterrains. Cette méthode est adaptée à l'étude de la dynamique des électrons ou des trous de groupes individuels ou petits de dopants dans les semi-conducteurs, avec des densités surfaciques dopants typiques de l'ordre de 10 ¹⁵ m ^-2 dans une géométrie plane ^2. Un exemple d'un exemple de configuration typique pour ce type d'expérience est illustré à la figure 1 </strong>. La couche de dopant est généralement placé à quelques dizaines de nanomètres sous la surface, il est important de connaître les distances précises entre la couche conductrice sous-jacente et la couche de dopant et entre la couche de dopant et de la surface de l'échantillon. Contrairement à effet tunnel, la capacité ne tombe pas exponentielle mais diminue essentiellement en raison inverse de la distance. Par conséquent, la profondeur dopant pourrait en principe être encore plus profond que des dizaines de nanomètres sous la surface, pour autant que certaines fraction raisonnable des terres de champ électrique sur la pointe. Pour l'ensemble des sondes locales cryogéniques précitées du comportement électronique, y compris la technique décrite ici, la résolution spatiale est limitée par la taille géométrique de la pointe et par la distance entre la caractéristique du sous-sol d'intérêt et de la pointe de sonde à balayage.

Protocol

1. PROTOCOLE La configuration initiale du microscope et de l'électronique Commencer avec un microscope à sonde à balayage cryogénique compatible avec l'électronique de commande associés. Les microscopes utilisés pour la recherche décrite ici utilise traduction inertiel à "marche" de l'échantillon vers et à distance de la pointe le long des rampes 13 (réalisé en un matériau conducteur tel que le cuivre, le laiton, ou en acier inoxydable afin de leur perme…

Representative Results

L'indicateur principal de mesure de succès est la reproductibilité, tout comme dans d'autres méthodes de sonde de balayage. Des mesures répétées sont très importants pour cette raison. Pour la spectroscopie de points de capacité, en prenant plusieurs mesures successives, au même endroit permet d'augmenter le rapport signal sur bruit et d'identifier des signaux parasites. Une fois une fonction d'intérêt a été identifié dans l'image d'accumulation de c…

Discussion

Une explication détaillée de la base théorique de cette méthode expérimentale est donnée dans les références 8 et 9 et discuté en ce qui concerne le scénario de dopants sous-sol dans la référence 2, le bilan présenté ici sera donc brève et conceptuel. La pointe est traitée comme une plaque d'un condensateur, et la couche conductrice sous-jacente à l'échantillon comprend l'autre plaque. Si la tension continue est appliquée de sorte que les électrons sont attirés vers la pointe, et si il y…

Materials

			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