Skanning-probe Single-elektron Kapasitans spektroskopi

Summary

Skanning-probe single-elektron kapasitans spektroskopi forenkler studie av single-elektron bevegelse i lokaliserte undergrunnsområder. En sensitiv påvisning lade-krets er innlemmet i en kryogen scanning mikroskop probe for å undersøke små systemer av dopant atomer under overflaten av halvleder-prøver.

Abstract

Integrasjonen av lav temperatur skanning-probe teknikker og single-elektron kapasitans spektroskopi representerer et kraftig verktøy for å studere den elektroniske kvante strukturen av små systemer – inkludert individuelle atom dopants i halvledere. Her presenterer vi en kapasitans-baserte metoden, kjent som Subsurface Charge Opphopning (SCA) bildebehandling, som er i stand til å løse single-elektron lading samtidig oppnå tilstrekkelig romlig oppløsning til bilde individuelle atom dopants. Bruken av en kapasitans teknikk muliggjør observasjon av undergrunnsformasjoner, for eksempel dopingsmidler begraver nanometer under overflaten av et halvleder-materiale ^1,2,3. I prinsippet kan denne teknikken brukes på alle system for å løse elektronbevegelsen under et isolerende underlag.

Som i andre elektriske felt som er følsomme skannet-probe teknikker ^4, avhenger den sideveis romlig oppløsning av målingen delvis på den radius curvature av sondespissen. Ved hjelp av tips med en liten krumningsradius kan aktivere romlig oppløsning på noen titalls nanometer. Dette fine romlig oppløsning lar undersøkelser av små tall (ned til én) av undergrunnen dopingsmidler ^1,2. Avgiften oppløsning avhenger sterkt av sensitiviteten av lade detection krets, ved hjelp av høye elektron mobilitet transistorer (HEMT) i slike kretser ved kryogeniske temperaturer muliggjør en følsomhet på ca 0,01 elektroner / Hz ^½ ved 0,3 K ^5.

Introduction

Undergrunnen Charge Opphopning (SCA) avbildning er en lav-temperatur metode stand til å løse single-elektron lading hendelser. Når anvendes i studiet av dopant atomer i halvledere, kan metoden påvise enkelte elektroner påbegynner eller-mottager-atomer, som tillater karakterisering av kvante struktur av disse minutt systemer. På hjertet sitt, er SCA bildebehandling en lokal kapasitansmåling ⁶ velegnet for kryogenisk bruk. Fordi kapasitansen er basert på elektrisk felt, er det en lang-effekt som kan løse lading under isolerende flater ^6. Kryogenisk operasjon tillater undersøkelse av single-elektronbevegelsen og kvante-nivå avstand som ville være uløselig ved romtemperatur ^1,2. Teknikken kan anvendes på en hvilken som helst system hvor elektron bevegelse under en isolerende overflate er viktig, herunder lade dynamikk i to-dimensjonale elektron-systemer ved nedgravde grensesnitt ^7, for korthets fokuset her vil være på studier av halvledere dopants.

På det mest skjematisk nivå, behandler denne teknikken det skannede spissen som en plate av en parallell-plate kondensator, men realistisk analyse krever en mer detaljert beskrivelse på kontoen for krumningen av tuppen ^8,9. Den annen plate i denne modellen er en nanoskala område av det underliggende, ledende lag, slik som vist i figur 1. I hovedsak, som en ladning trer et dopingsmiddel som reaksjon på en periodisk eksiteringsspenningen, blir det nærmere dysen; denne bevegelse induserer mer bilde ladningen på spissen, som er oppdaget med følerkretsen ^5.. Tilsvarende som charge avslutter dopant, blir bildet kostnad på spissen redusert. Derav periodiske lading signal som reaksjon på eksiteringsspenningen er det detekterte signal – i hovedsak er det kapasitans, således denne måling blir ofte referert til som å bestemme CV egenskapene til systemet.

telt "> Under kapasitansmåling, er den eneste netto tunnel mellom den underliggende ledende laget og dopant lag -. charge aldri tunneler direkte på tuppen Mangelen på direkte tunnelering til eller fra spissen under målingen er en viktig forskjell mellom denne teknikk og mer kjent scanning tunneling mikroskopi, er selv om mye av maskinvaren for dette systemet i hovedsak identisk med en scanning tunneling mikroskop. Det er også viktig å merke seg at SCA tenkelig er ikke direkte følsomme for statisk elektrisitet. For undersøkelser av statisk elektrisitet distribusjoner, skanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk kraft mikroskopi er hensiktsmessig Andre kryogeniske metoder for å undersøke lokale elektroniske atferd eksisterer som også har gode elektroniske og romlig oppløsning;. for eksempel skanning single-elektron transistor mikroskopi er en annen scanning probe metoden kan påvise minutters lading effekter ^4,10. SCA bildebehandling var opprinneligutviklet ved MIT etter Tessmer, Glicofridis, Ashoori, og medarbeidere ^7, dessuten kan metoden beskrevet her betraktes som en scanning probe versjon av Single-Electron Kapasitans spektroskopi metode utviklet av Ashoori og medarbeidere ^11. Et sentralt element i målingen er et utsøkt sensitive lade-deteksjon krets ^5,12 ved hjelp av høy elektron mobilitet transistorer (HEMT), det kan oppnå et støynivå så lavt som 0,01 elektroner / Hz ^½ på 0,3 K, base temperaturen kryostaten i Reference fem. En så høy følsomhet tillater observasjon av single-elektron lading i undergrunnen systemer. Denne metoden er egnet for studiet av elektron eller hull dynamikken i individuelle eller små grupper av dopants i halvledere, med typiske dopant Areal tettheter i størrelsesorden 10 ¹⁵ m ^-2 i et fly geometri ^to. Et eksempel på en typisk prøve konfigurasjonen for denne type forsøk er vist i figur 1. </strong>. Den dopingsmiddel laget er vanligvis plassert noen få titalls nanometer under overflaten, og det er viktig å kjenne den nøyaktige avstanden mellom det underliggende ledende lag og den dopingsmiddel lag og mellom det dopingsmiddel sjikt og sampeloverflaten. I motsetning til tunnelering, betyr kapasitans ikke falle av eksponentielt, men i stedet det vesentlige avtar i omvendt forhold til avstanden. Derfor kunne det dopingsmiddel dybde i prinsippet være enda dypere enn titalls nanometer under overflaten, så lenge noen rimelig brøkdel av elektriske feltkomponenter lander på tuppen. For alle de nevnte kryogene lokale sonder av elektronisk oppførsel, inklusive den teknikk som er beskrevet her, er romlig oppløsning begrenses av den geometriske størrelsen på spissen og av avstanden mellom det underjordiske trekk av interesse og skanning sondespissen.

Protocol

En. PROTOKOLL Første installasjon av mikroskop og elektronikk Begynn med en lav temperatur-stand scanning probe mikroskop med tilhørende styringselektronikk. De mikroskop benyttet for forskningen beskrevet her benytte treghet oversettelse å "gå" prøven mot og bort fra spissen langs ramper (13 laget av et ledende materiale slik som kobber, messing eller rustfritt stål for å gjøre dem i stand til å overføre til den forspenning prøve) som en del av en Besocke utforming ST…

Representative Results

Sjefen indikator på en vellykket måling er reproduserbarhet, mye som i andre skanning probe metoder. Gjentatte målinger er svært viktig på grunn av dette. For punkt kapasitans spektroskopi, idet mange målinger etter hverandre ved samme sted bidrar til å øke signal-til-støy-forholdet og identifiserer falske signaler. Når en egenskap av interesse har blitt identifisert innen lade opphopning bilde og kapasitans spektroskopi er utført, begynner tolkning av CV-data ved å bestemme spen…

Discussion

En detaljert forklaring av det teoretiske grunnlag for denne eksperimentelle metode er gitt i referanser 8 og 9 og diskutert med hensyn til scenario av undergrunnsformasjoner dopingsmidler i referanseeksempel 2, med oversikt presenteres her, vil derfor være kort og konseptuelle. Tuppen er behandlet som en plate av en kondensator, og det ledende skikt underliggende prøven omfatter den andre plate. Dersom DC spenning påtrykkes slik at elektroner trekkes mot tuppen, og hvis det er et dopingsmiddel atom som ligger mellom…

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