Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica
Summary
Vamos demonstrar um método todo-eletrônico para observar a dinâmica de carga nanossegundo-resolvido de átomos do dopant em silicone com um microscópio de tunelamento.
Abstract
A miniaturização de dispositivos semicondutores para escalas onde pequenos números de dopantes podem controlar Propriedades do dispositivo requer o desenvolvimento de novas técnicas capazes de caracterizar a sua dinâmica. Investigar o único dopantes requer resolução espacial sub nanômetros, o que motiva o uso da microscopia de tunelamento (STM). No entanto, STM convencional é limitada a resolução temporal de milissegundos. Vários métodos foram desenvolvidos para superar esta lacuna, incluindo STM tempo-resolvido todo-eletrônico, que é usado neste estudo para examinar a dinâmica do dopant em silicone com resolução de nanossegundos. Os métodos apresentados aqui são amplamente acessíveis e permitam a medição local de uma grande variedade de dinâmica na escala atômica. Um romance tempo resolvido por verificação técnica de espectroscopia de encapsulamento é apresentado e usado para pesquisar com eficiência dinâmica.
Introduction
Varredura de tunelamento (STM) a microscopia, tornou-se a principal ferramenta em Nanociência por sua capacidade de resolver topografia escala atômica e estrutura eletrônica. Uma limitação do STM convencional, no entanto, é que sua resolução temporal é restrita para a escala de tempo de milissegundos por causa da largura de banda limitada do pré-amplificador atual1. Ele tem sido um objetivo de estender a resolução temporal do STM para as escalas em que comumente ocorrem processos atômicos. O pioneiro trabalho tempo-resolvido microscopia de tunelamento (TR-STM) por Freeman et. al. 1 utilizados switches fotocondutoras e linhas de transmissão de microstrip estampadas na amostra para transmitir impulsos de tensão picosegundo para a junção de túnel. Esta junção-mistura técnica tem sido usada para alcançar resoluções simultâneas de 1 nm e 20 ps2, mas nunca foi amplamente adotada devido a necessidade do uso de estruturas especializadas de amostra. Felizmente, o insight fundamental adquirido com estes trabalhos pode ser generalizado para muitas técnicas de tempo-resolvido; mesmo que a largura de banda do circuito do STM é limitada a vários kHz, a resposta não-linear de I(V) no STM permite a ser sondado pelo túnel médio atual obtido ao longo de muitos ciclos de bomba-sonda de medição dinâmica mais rápida. Nos anos seguintes, muitas abordagens têm sido exploradas, o mais popular dos quais é revistos brevemente abaixo.
Abalada-par-excitação por impulsos (SPPX) STM tira proveito dos avanços em tecnologias de laser pulsado ultra rápida para atingir resolução sub picosegundo por diretamente iluminando a junção de túnel e emocionante transportadoras na amostra3. Luz laser incidente cria enciclopédia transportadoras que transitoriamente melhoram a condução e permite a modulação do atraso entre a bomba e a ponta de prova (td) deu/dtd a ser medida com um amplificador de fechamento-em. Porque o atraso entre a bomba e a sonda é modulado em vez de intensidade do laser, como em muitas outras abordagens ópticas, SPPX-STM evita expansão térmica induzida por iluminação foto do ponta3. Extensões mais recentes desta abordagem estendemos as escalas de tempo durante o qual SPPX-STM pode ser usado para investigar a dinâmica, utilizando técnicas de pulso-colheita para aumentar o alcance da bomba-sonda atraso vezes4. Importante, esta evolução recente também fornece a capacidade de medir o (td) curvas diretamente, em vez de através de integração numérica. Recentes aplicações de SPPX-STM tem incluído o estudo de recombinação de transportadora em single-(Mn, Fe)/GaAs(110) estruturas dinâmicas5 e doador em GaAs6. Aplicações de SPPX-STM enfrentam algumas restrições. O sinal QUE SPPX-STM medidas depende de livre transportadoras excitadas pelos pulsos ópticos e é o mais adequado para semicondutores. Além disso, embora a corrente de tunelamento é localizada na ponta, porque uma grande área estava entusiasmada com os pulsos ópticos, o sinal é uma convolução das propriedades locais e transporte de material. Finalmente, o viés na junção é fixo na escala de medição de tempo para que a dinâmica em estudo deve ser a participação.
Uma técnica mais recente ótica, terahertz STM (THz-STM), casais pulsos de espaço livre THz focados na junção com a ponta do STM. Ao contrário de em SPPX-STM, os pulsos de acoplamento se comportam como pulsos de tensão rápido permitindo para a investigação de excitações eletronicamente conduzidas com sub picosegundo resolução7. Curiosamente, a corrente retificada gerado a partir os pulsos THz resultados em densidades de corrente de pico extremo não acessíveis por convencional STM8,9. A técnica tem sido usada recentemente para estudar elétrons quentes em Si(111)-(7×7)9 e a vibração de uma molécula de Pentaceno único10de imagem. THz-pulsos casal naturalmente para a ponta, no entanto, a necessidade de integrar uma fonte THz para um experimento STM é susceptível de ser um desafio para muitos experimentadores. Isso motiva o desenvolvimento de outras técnicas amplamente aplicáveis e facilmente implementáveis.
Em 2010, Carlos et al . 11 desenvolveu uma técnica todo-eletrônico onde pulsos de tensão de nanossegundos aplicados em cima de um deslocamento de DC eletronicamente bomba e sondar o sistema11. A introdução desta técnica ofereceu uma demonstração crítica de inequívocas e práticas aplicações de tempo-resolvido STM para medir previamente despercebida física. Embora não seja tão rápido como junção mistura STM, que o precedeu, aplicação de pulsos de microondas para a ponta do STM permite amostras arbitrárias para ser investigado. Esta técnica não requer qualquer complicadas metodologias ópticas ou acesso óptico até a junção do STM. Isso torna a técnica mais fácil para se adaptar à baixa temperatura STMs. A primeira demonstração destas técnicas foi aplicada ao estudo da rotação-dinâmica onde um spin-polarizada STM foi usado para medir a dinâmica de relaxamento da rotação-estados excitados pelo bomba pulsos11. Até recentemente, seu requerimento permaneceu limitada a adatom magnética sistemas12,13,14 , mas tem desde que foi estendido para o estudo da taxa de captura do portador de uma discreta abertura mid15 e carga dinâmica de dopantes único arsênico em silicone15,16. O último estudo é o foco deste trabalho.
Estudos sobre as propriedades de dopantes único em semicondutores recentemente tem atraído a atenção significativa, porque dispositivos de semicondutor (CMOS) de óxido metálico complementar estão entrando o regime onde único dopantes podem afetar Propriedades do dispositivo17 . Além disso, diversos estudos têm demonstrado que os dopantes único podem servir como o componente fundamental de futuros dispositivos, por exemplo como qubits de computação quântica18 e quântica memória19e como único átomo transistores20 , 15. dispositivos de futuro também podem incorporar outros defeitos de escala atômica, tais como o silício balançando o vínculo (DB), que pode ser modelado com precisão atômica com STM litografia de21. Para este fim, DBs têm sido propostos como carga qubits22, pontos quânticos para quântica autômatos celulares arquiteturas23,24e25,de fios atômico26 e tem sido modelados para criar quântica lógica hamiltoniano gates27 e moléculas artificiais28,29. Avançando, dispositivos podem incorporar ambos os dopantes único e DBs. Esta é uma estratégia atraente, porque DBs são defeitos na superfície que podem ser facilmente caracterizados com STM e usados como um identificador para caracterizar dispositivos dopant único. Como um exemplo dessa estratégia, DBs são usados neste trabalho como sensores de carga para inferir a carga dinâmica de dopantes perto da superfície. Estas dinâmicas são capturadas com o uso de uma abordagem todo-eletrônico para TR-STM que é uma adaptação das técnicas desenvolvidas pela Loth et al 11
Medições são feitas em DBs selecionados em uma superfície de Si(100)-(2×1) de hidrogênio finalizado. Uma região de depleção dopant estendendo aproximadamente 60 nm abaixo da superfície, criado através do tratamento térmico do cristal30, dissocia o DB e os poucos restantes perto da superfície dopantes de bandas a granel. Estudos STM de DBs descobriram que sua condutância é dependente de parâmetros da amostra global, tais como a concentração de dopantes e a temperatura, mas DBs individuais também mostram fortes variações dependendo do seu ambiente local16. Durante uma medição do STM sobre um único DB, o fluxo de corrente é regulado pela taxa na qual elétrons podem cavar um túnel da maior parte do DB (Γem massa) e do DB da ponta (dicadoΓ) (Figura 1). No entanto, porque a condução do DB é sensível ao seu ambiente local, o estado de carga de dopantes nas proximidades influencia Γagranel (figura 1B), que podem ser inferidas pelo monitoramento da condutibilidade do DB. Como resultado, a condutância de um DB pode ser usada para sentir os Estados de carga de dopantes nas proximidades e pode ser usada para determinar as taxas em que os dopantes são fornecidos elétrons a granel (ΓLH) e perdê-los para a ponta do STM (ΓHL ). Para resolver essas dinâmicas, TR-STS é realizada ao redor as tensões de limiar (Vthr) no qual a ponta induz a ionização de dopantes perto da superfície. O papel dos pulsos da bomba e a sonda é o mesmo das três técnicas experimentais tempo-resolvido aqui apresentados. A bomba transitoriamente traz o viés nível de abaixo acima Vthr, que induz a ionização dopant. Isto aumenta a condutância do DB, que é amostrado pelo pulso de sonda que segue em um viés de baixo.
As técnicas descritas neste artigo beneficiará aqueles que desejam caracterizar a dinâmica ocorrendo o milissegundo para nanossegundos calendário com STM. Embora estas técnicas não estão limitadas a estudar a dinâmica de carga, é crucial que a dinâmica se manifestam através de alterações transientes na condutância de Estados que podem ser analisados pelo STM (i.e., os Estados ou perto da superfície). Se a condutância dos Estados transitórios não difere significativamente o estado de equilíbrio, tal que a diferença entre as correntes transientes e equilíbrio multiplicado pelo ciclo de pulso de sonda (normalmente é menor do que o piso de ruído de sistemas 1 pA), o sinal será perdido no meio do ruído e não será detectável por esta técnica. Porque as modificações experimentais de sistemas STM comercialmente disponíveis necessários para executar as técnicas descritas neste artigo são modestas, prevê-se que estas técnicas serão amplamente acessíveis para a Comunidade.
Protocol
Representative Results
Discussion
A variante de TR-STS em que o pulso de bomba não é aplicado é comparável ao STS convencionais, exceto que o sistema está sendo amostrado em uma alta frequência, ao invés de continuamente. Se as durações de pulsos a sonda são apropriadas (>ΓLH), o TR-STS do sinal adquirido sem o pulso da bomba pode ser multiplicado por uma constante proporcional ao ciclo de dever do experimento para coincidir exatamente com um STS convencional medição. Isto só é possível porque as medições são feitas…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer a Martin Cloutier e Mark Salomons por seus conhecimentos técnicos. Agradecemos também a NRC, NSERC e AITF apoio financeiro.
Materials
| Low Temperature Scanning Tunneling Microscope | Scientaomicron | Custom-made with 500MHz bandwidth wiring | |
| Arbitarary Function Genorator | Tektronix | AFG3252C | |
| RF Power Splitter/ Combiner | Mini-Circuits | ZFRSC-42-S + | |
| RF Switch | Mini-Circuits | X80-DR230-S + | |
| Non-Contact Infrared Pyrometers | Micron Infrared | MI 140 |
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