스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광학
Summary
스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.
Abstract
반도체의 개별 원자 도펀트를 포함하여 – 저온 스캐닝 프로브 기술과 단일 전자 용량 분광법의 통합은 소규모 시스템의 전자 양자 구조를 연구 할 수있는 강력한 도구를 나타냅니다. 여기에서 우리는 이미지 개별 원자 도핑에 충분한 공간 분해능을 달성하면서 단일 전자 충전을 해결 할 수 지하 충전 축적 (SCA) 이미지로 알려진 용량 기반의 방법을 제시한다. 정전 용량 기술의 사용은 반도체 재료 1,2,3의 표면 아래에 많은 나노 미터 묻혀 도펀트로 지하 기능을 관찰 할 수 있습니다. 원칙적으로,이 기술은 단열 표면 아래의 전자 움직임을 해결하기 위해 모든 시스템에 적용 할 수 있습니다.
다른 전기장에 민감한 스캔 프로브 기술 4에서와 같이, 측정의 측면 공간 해상도는 curvatur의 반경 부분에 따라 달라집니다프로브 팁의 전자. 곡률 반경이 작은과 팁을 사용하여 나노 미터의 수십의 공간 해상도를 설정할 수 있습니다. 이 좋은 공간 해상도는 지하 도펀트 1,2의 작은 숫자의 조사 (아래 하나) 할 수 있습니다. 충전 해상도는 충전 감지 회로의 감도에 따라 크게 차이, 극저온의 온도에서 같은 회로에서 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 약 0.01 전자 / Hz의 감도를 가능 ½ 0.3 K 5시.
Introduction
지하 충전 축적 (SCA) 영상은 단 전자 충전 이벤트를 해결 할 수있는 저온 방법입니다. 반도체 도펀트 원자의 연구에 적용 할 때,이 메소드는이 분 시스템의 양자 구조의 특성을 허용, 기증자 또는 셉터 원자를 입력 개별 전자를 감지 할 수 있습니다. 그 중심에서 SCA 영상은 현지 캐패시턴스 측정 6 극저온 운전에 적합합니다. 용량은 전기 분야를 기반으로하기 때문에, 그것은 표면에게 6 단열 아래 충전 해결할 수있는 장거리 효과입니다. 저온 작업은 상온 1,2에서 해석 할 수없는 것입니다 단일 전자 모션 및 양자 레벨 간격의 조사를 허용합니다. 이 기술은 묻혀 인터페이스 7 2 차원 전자 시스템에서 충전 역학을 포함, 절연 표면 아래의 전자 움직임이 중요한 모든 시스템에 적용 할 수 있으며, 간결, 여기에서 초점은 반도체 도핑 연구에있을 것입니다.
현실적인 분석 팁 8,9의 곡률 계정에 대한 자세한 설명을 필요로하지만 대부분의 개략적 인 수준에서,이 기술은 평행 판 콘덴서의 하나의 판으로 스캔 팁을 처리합니다. 그림 1과 같이이 모델의 다른 플레이트는 기본 실시 층의 나노 영역입니다. 충전주기 여기 전압에 대한 응답으로 도펀트를 입력 본질적으로, 그것은 끝이 가까워지고,이 운동은 센서 회로 5를 검출 팁에 대한 자세한 이미지 충전을 유도합니다. 마찬가지로, 충전 종료 불순물을 같이 첨단의 이미지 요금이 감소합니다. 따라서 여기 전압 님의 질문에 답변 정기 충전 신호가 감지 된 신호이다 – 기본적으로는 커패시턴스, 따라서이 측정은 종종 시스템의 CV 특성을 결정이라고합니다.
텐트 "> 캐패시턴스 측정 중, 유일한 그물 터널링은 기본 도전 층 및 도판 층 사이에 -. 직접 팁 위에 충전 결코 터널 측정시 또는 끝에서 터널링 직접의 부족이 사이에 중요한 차이가 기술과 더 익숙한 스캐닝 터널링 현미경은, 비록 대부분이 시스템의 하드웨어는 주사 터널링 현미경의 그것과 본질적으로 동일하다. 그것은 SCA 영상은 정전기에 직접 문자를 구분하지 않습니다 점에 유의하는 것도 중요합니다. 정전기 수사 분포는 켈빈 프로브 현미경 또는 정전기력 현미경 스캐닝 적절도 좋은 전자 및 공간 해상도가 로컬 전자 행동이 존재 검사를위한 추가 극저온 방법;. 예를 들어, 단일 전자 트랜지스터 현미경 스캐닝 충전 분을 검출 할 수있는 또 다른 스캐닝 프로브 방법 SCA 영상은 원래 효과 4,10이었다.Tessmer, Glicofridis, Ashoori, 및 동료 7에 MIT에서 개발, 또, 여기에 설명 된 방법은 Ashoori 및 동료 (11)에 의해 개발 된 단일 전자 용량 분광학 방법의 스캐닝 프로브 버전으로 간주 할 수 있습니다. 측정의 핵심 요소는 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 정교하게 민감한 충전 감지 회로 5,12이며 0.01 전자 / Hz에서의 낮은 노이즈 레벨을 달성 할 수있다 ½ 0.3 K에서 그라 이오 스탯의 기본 온도를 참고 5인치 이러한 높은 민감도는 지하 시스템에서 단일 전자 충전 관찰 할 수 있습니다. 이 방법은 평면 기하학의 10 15m -2의 순서에 대한 일반적인 불순물 면적 밀도, 반도체 도펀트의 개인 또는 소규모 그룹의 전자 또는 홀 역학의 연구에 적합합니다. 이런 유형의 실험에 대한 일반적인 샘플 구성의 예는 그림 1과 같다 </strong>. 도핑 층은 일반적으로 표면 아래 나노 미터의 몇 수만 위치, 그것은 기본 실시 레이어와 도펀트 층 사이에 도펀트 층과 시료 표면 사이의 정확한 거리를 아는 것이 중요합니다. 터널링과는 대조적으로, 용량은 기하 급수적으로 떨어지지 않는다 대신 본질적으로 거리에 반비례하여 감소한다. 따라서, 도펀트 깊이 원칙적 팁 전기장 토지의 일부 합리적인 비율만큼 표면 아래 수십 나노 미터,보다 깊은 수 있습니다. 여기에 설명 된 기술을 포함한 전자 행동의 전술 극저온 지역의 모든 프로브를 들어, 공간 해상도는 팁의 기하학적 크기에 관심있는 지하 기능 및 스캐닝 프로브 팁 사이의 거리에 의해 제한됩니다.Protocol
Representative Results
Discussion
이 실험 방법에 대한 이론적 근거에 대한 자세한 설명은 참고 문헌 8, 9에 주어진 및 참조 2 지하 도펀트의 시나리오에 대해 설명합니다, 여기에 제시된 개요 그러므로 간단하고 개념이 될 것입니다. 팁 하나 커패시터의 플레이트, 샘플은 다른 판을 포함하는 기본 실시 레이어로 처리됩니다. DC 전압이 적용되는 경우 등이 전자는 끝을 향해 행진하고 추가 비용을 수용 할 수있는 기본 전도 층과 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
여기서 설명하는 연구는 양자 과학 미시간 주 대학 연구소와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) DMR-0305461, DMR-0906939 및 DMR-0605801에 의해 지원되었다. KW 교육 GAANN 학제 간 생체 교육 프로그램 친교의 미국학과의 지원을 인정합니다.
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 |
References
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