Vollelektronische Nanosekunde gelöst Scanning Tunneling Microscopy: Erleichterung der Untersuchung der einzelnen Dotierstoff kostenlos Dynamik

Summary

Wir zeigen eine elektronische Methode um Nanosekunden gelöst kostenlos Dynamik von Dotierstoffen Atomen in Silizium mit einem Rastertunnelmikroskop zu beobachten.

Abstract

Die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen, Skalen, wo die kleine Zahl der Dotierstoffe Geräteeigenschaften kontrollieren kann, erfordert die Entwicklung neuer Techniken in der Lage, ihre Dynamik zu charakterisieren. Untersuchung einzelner Dotierstoffe erfordert räumliche Auflösung Sub-Nanometer, der was den Einsatz von scanning tunneling Microscopy (STM) motiviert. Konventionelle STM ist jedoch beschränkt auf Millisekunden Zeitauflösung. Verschiedene Methoden wurden entwickelt, um dieses Manko, einschließlich elektronische zeitaufgelösten STM, die in dieser Studie verwendet wird, um Dotierstoff Dynamik in Silizium mit einer Nanosekunde Auflösung zu überwinden. Die hier vorgestellten Methoden sind leicht zugänglich und ermöglichen lokalen Messung einer Vielzahl von Dynamik auf atomarer Skala. Ein Roman zeitaufgelösten scanning tunneling Spektroskopie Technik präsentiert und effiziente Suche nach Dynamik verwendet.

Introduction

Scanning tunneling Microscopy (STM) geworden, das erste Werkzeug im Bereich der Nanowissenschaften für seine Fähigkeit, atomarer Ebene Topographie und elektronische Struktur zu lösen. Eine Einschränkung der konventionellen STM ist jedoch, dass seine zeitliche Auflösung wegen der begrenzten Bandbreite des aktuellen Vorverstärker¹Millisekunde Zeitskala beschränkt ist. Es ist seit langem ein Ziel, STM zeitlichen Auflösung auf die Waage zu verlängern auf die atomare Prozesse häufig auftreten. Die Pionierarbeit zeitaufgelösten scanning tunneling Microscopy (TR-STM) von Freeman et. al. ¹ verwendete Unterätzung Schalter und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen gemustert auf die Probe, Pikosekunde Spannungsimpulse bis zur Kreuzung Tunnel übertragen. Diese Kreuzung mischen Technik verwendet wurde, um gleichzeitige Auflösung von 1 nm und 20 Ps²zu erreichen, aber es wurde nie weit angenommen aufgrund der Voraussetzung für die Verwendung von spezialisierten Probe Strukturen. Glücklicherweise kann die grundlegenden Erkenntnisse aus diesen Werken zu vielen zeitaufgelösten Techniken verallgemeinert werden; Obwohl die Bandbreite der STM-Schaltung auf mehreren Kilohertz beschränkt ist, ermöglicht die nichtlinearen I(V) Reaktion in STM schneller Dynamik, sondiert werden, durch die Messung der durchschnittlichen Tunnelstrom über viele Zyklen Pumpe-Sonde erreicht. In den vergangenen Jahren viele Ansätze erforscht, die beliebtesten davon sind kurz unten überprüft.

Geschüttelt-Puls-paar-angeregten (SPPX) STM nutzt die Zuführungen in ultraschnellen gepulste Lasertechnologien, Sub-Pikosekunden Auflösung direkt beleuchtet die Tunnel Junction und spannende Träger in der Probe³zu erreichen. Einfallenden Laserlicht schafft freie Trägern, die Wärmeleitung vorübergehend zu erhöhen, und Modulation der Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde (t_d) ermöglicht dich/dt_d mit einem Lock-in-Verstärker gemessen werden. Weil die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde anstatt der Laserintensität, wie in vielen anderen optischen Ansätzen moduliert ist vermeidet SPPX STM Foto Beleuchtung-induzierte thermische Ausdehnung der Tipp³. Neuere Erweiterungen dieses Ansatzes sind die Fristen verlängert über die SPPX-STM verwendet werden, um die Dynamik zu untersuchen, durch die Verwendung von Puls-Picking-Techniken zur Erhöhung der Reichweite der Pumpe-Sonde Verzögerung Mal⁴. Wichtig ist, bietet diese neue Entwicklung auch die Möglichkeit, ich(t_d) Kurven direkt statt über numerische Integration zu messen. Aktuelle Anwendungen von SPPX STM haben das Studium der Träger Rekombination in Single-aufgenommen (Mn, Fe)/GaAs(110) Strukturen⁵ und Spender Dynamik in GaAs-⁶. Anwendungen des SPPX-STM stehen einige Einschränkungen. Das Signal, das SPPX-STM misst hängt von freien Trägern aufgeregt durch die optischen Impulsen und eignet sich am besten für Halbleiter. Obwohl der Tunnelstrom bis zur Spitze lokalisiert ist, weil eine große Fläche durch die optischen Impulsen angeregt wird, ist das Signal zusätzlich eine Faltung der lokalen Eigenschaften und Materialtransport. Zu guter Letzt ist die Vorspannung an der Kreuzung an der Messung Zeitskala fixiert, so dass die Dynamik unter Studie photoinduzierte sein muss.

Eine neuere optische Technik, Terahertz (THz-STM), STM Paare Freiraum-THz Impulse konzentrierte sich auf der Kreuzung an der Spitze der STM. Im Gegensatz zu SPPX-STM, die gekoppelte Impulse Verhalten sich wie schnell Spannungsimpulse ermöglicht die Untersuchung der elektronisch gesteuerte Erregungen mit Sub-Pikosekunden Auflösung⁷. Interessant ist, generiert der gleichgerichtete Strom aus der THz-Pulses Ergebnisse in extremen Höhepunkt Stromdichten nicht zugänglich durch konventionelle STM^8,9. Die Technik wurde vor kurzem zu studieren heiße Elektronen in Si(111)-(7×7)⁹ und Bild die Schwingung eines einzigen Pentacene Molekül¹⁰eingesetzt. THz-Pulse natürlich paar an der Spitze, die Notwendigkeit, eine THz-Quelle zu einem STM-Experiment zu integrieren dürfte jedoch schwierig, viele Experimentatoren. Dies motiviert die Entwicklung anderer überall anwendbar und leicht umsetzbare Techniken.

Im Jahr 2010 Loth Et Al. ¹¹ entwickelt eine elektronische Technik wo Nanosekunde Spannungsimpulse elektronisch auf einem DC-Offset aufgetragen Pumpen und Sonde System¹¹. Die Einführung dieser Technik angeboten eine kritische Demonstration eindeutig und praktische Anwendungen von zeitaufgelösten STM, bisher unbeobachteten Physik zu messen. Obwohl es nicht so schnell wie Kreuzung mischen STM, die ihr vorausging ist, ermöglicht die Anwendung Mikrowelle Impulse auf die STM Spitze willkürliche Proben untersucht werden. Diese Technik erfordert keine komplizierte optische Methoden oder optischen Zugang bis zur Kreuzung STM. Dies erleichtert die einfachste Technik, Niedertemperatur STMs anzupassen. Die erste Demonstration dieser Techniken wurde zur Erforschung der Spindynamik angewendet, wo eine Spin-polarisierten STM verwendet wurde, um die Entspannung Dynamik der Spinzustände aufgeregt von der Pumpe Impulse¹¹messen. Bis vor kurzem seine Anwendung blieb beschränkt auf magnetische Adatom Systeme^12,13,14 , hat aber seit dem Studium der Träger Aufnahmerate von einer diskreten Mid Lücke erweitert¹⁵ staatliche und Dynamik berechnen der einzelnen Arsen Dotierstoffe in Silizium^15,16. Die letztere Studie liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.

Studien über die Eigenschaften der einzelnen Dotierstoffe Halbleiter haben vor kurzem erhebliche Aufmerksamkeit erregt, weil komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) betreten jetzt das Regime wo einzelne Dotierstoffe Geräteeigenschaften^{17 Einfluss auf} . Darüber hinaus haben mehrere Studien gezeigt, dass einzelne Dotierstoffe die grundlegende Komponente der zukünftige Geräte, zum Beispiel als Qubits für Quantum Computation¹⁸ und Quantum Speicher¹⁹sowie als einzelnes Atom Transistoren²⁰ dienen kann ^{, 15}. Zukunft Geräte können auch andere atomarer Skala Mängel, wie z. B. das Silizium dangling Bond (DB) die mit atomarer Präzision mit STM Lithographie²¹angeordnet werden kann enthalten. Zu diesem Zweck DBs als kostenlos Qubits²², Quantenpunkte für Quantum zelluläre Automaten Architekturen^23,24, atomare Drähte^25,26 vorgeschlagen worden und haben erstellen gemustert worden Quantum Hamiltonian Logik Tore²⁷ und künstliche Moleküle^28,29. Nach vorne verschieben, können Geräte einzelne Dotierstoffe und DBs zu integrieren. Dies ist eine attraktive Strategie, denn DBs Oberflächenfehler, die problemlos mit STM gekennzeichnet und als Griff verwendet werden, um einzelne Dotierstoff Geräte zu charakterisieren. Als ein Beispiel für diese Strategie DBs in diesem Werk kostenlos Sensoren dienen als die Ladestation Dynamik der oberflächennahen Dotierstoffe abzuleiten. Diese Dynamik werden mit dem Einsatz eines All-elektronischen Ansatzes für TR-STM erfasst, die von den von Loth Et Al. entwickelten Techniken angepasst ist ¹¹

Messungen werden auf ausgewählten DBs auf einer Wasserstoff beendet Si(100)-(2×1) Oberfläche ausgeführt. Ein Dotierstoff Raumladungszone Verlängerung ca. 60 nm unter der Oberfläche erstellt durch thermische Behandlung der Kristall³⁰entkoppelt die DB und die paar restlichen oberflächennahe Dotierstoffe von Bulk-Bands. STM Studien des DBs haben festgestellt, dass ihre Leitfähigkeit Gesamtprobe Parameter, wie die Konzentration der Dotierstoffe und der Temperatur abhängig, aber einzelne DBs auch starke Schwankungen je nach ihrer Umgebung^{16 zeigen}. Während eine STM-Messung über einen einzigen DB, unterliegt der Stromfluss die Rate, mit der Elektronen von der Masse der DB (Γ_Masse) und von der DB bis zur Spitze (Γ_{Spitze Tunneln können}) (Abbildung 1). Da die Wärmeleitung der DB auf seine Umgebung reagiert, beeinflusst der Ladezustand des nahe gelegenen Dotierstoffe aber Γ_Masse (Abbildung 1 b), die durch die Überwachung der DB Leitwert abgeleitet werden kann. Infolgedessen der Leitwert eines DB kann verwendet werden, um die Ladungszustände des nahe gelegenen Dotierstoffe zu spüren und kann verwendet werden, um festzustellen, liegen die Preise bei der die Dotierstoffe sind Elektronen von der Masse (Γ_LH) und verlieren sie bis zur Spitze der STM (Γ_{HL ). Um diese Dynamik zu beheben, wird TR-STS durchgeführt, um die Schwelle Spannungen (VThr) an der Spitze Ionisierung der oberflächennahen Dotierstoffe induziert. Die Rolle der Pumpe und Sonde Impulse ist in die drei zeitaufgelösten experimentelle hier vorgestellten Techniken gleich. Die Pumpe bringt vorübergehend die Bias Ebene von unten oben VThr, dem Dotierstoff Ionisation induziert. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit der DB, die durch die Prob-Puls abgetastet wird, die auf eine geringere Tendenz folgt.}

In diesem Artikel beschriebenen Techniken profitieren diejenigen, die Dynamik auf die Millisekunde genau zu Nanosekunden Zeitskala mit STM auftretenden charakterisieren. Obwohl diese Techniken nicht auf Untersuchung kostenlos Dynamik begrenzt sind, ist es entscheidend, dass die Dynamik über vorübergehende Änderungen in den Leitwert von Staaten manifestiert sind, die von STM (d. h. Staaten auf oder nahe der Oberfläche) sondiert werden kann. Wenn der Leitwert der Übergangszuständen nicht deutlich von den Gleichgewichtszustand unterscheidet so, dass der Unterschied zwischen der Transienten und Gleichgewicht Strömungen multipliziert ist das Tastverhältnis Sonde Puls kleiner als das Hintergrundrauschen Systeme (in der Regel 1 pA), das Signal wird in den Lärm verloren und werden nicht von dieser Technik erkannt. Da die experimentelle Änderungen der im Handel erhältlichen STM-Anlagen erforderlich, um die in diesem Artikel beschriebenen Techniken auszuführen bescheiden sind, ist davon auszugehen, dass diese Techniken der Community allgemein zugänglich sein werden.

Protocol

1. die Ersteinrichtung des Mikroskops und Experimente Beginnen Sie mit einem ultrahigh Vakuum-Kryo-fähigen STM und die damit verbundenen Steuerungssoftware. Die STM zu kryogenen Temperaturen abkühlen.Hinweis: In diesem Bericht Ultrahochvakuum bezeichnet Systeme, die zu erreichen < 10 x 10-10 Torr. Die STM sollte zur kryogenen Temperaturen abgekühlt werden; Dies ist besonders wichtig, wenn die Ladung Dynamik der Dotierstoffe, untersucht die bei geringen Temperaturen thermisch aktiviert werden. …

Representative Results

In diesem Abschnitt des Textes dargestellten Ergebnisse wurden bisher veröffentlichten15,16. Abbildung 3 veranschaulicht das Verhalten eines ausgewählten Beispiels DB mit konventionellen STM. Eine konventionelle I(V)-Messung (Abb. 3A) zeigt deutlich eine drastischen Veränderung der Leitwert der DB am VThr = -2,0 V. Dieses Verhalten ist auch bei STM …

Discussion

Die Variante des TR-STS in der Pump-Puls nicht angewendet wird ist vergleichbar mit herkömmlichen STS, abgesehen davon, dass das System mit einer hohen Frequenz, anstatt ständig abgetastet wird. Wenn die Dauer der Sonde Impulse geeignet sind (>Γ_LH), TR-STS signal erworben ohne die Pump-Puls mit einer konstanten proportional auf das Experiment Einschaltdauer genau mit einem konventionellen STS zusammen multipliziert werden kann Messung. Dies ist nur möglich, weil die Messungen ohne den Einsatz von …

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