모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사
Summary
실리콘에서 불순물 원자의 나노초 해결 충전 역학 주사 터널링 현미경으로 관찰 하는 모든 전자 방법 보여 줍니다.
Abstract
Dopants의 작은 숫자 장치 속성을 제어할 수 있습니다 비늘을 반도체 소자의 소형화 그들의 역학을 특성화 할 수 있는 새로운 기술의 개발을 필요 합니다. 단일 dopants를 조사 하 고 터널링 현미경 (STM) 검색의 사용 동기 하위 나노미터 공간 해상도를 요구 한다. 그러나, 기존의 STM 밀리초 시간 해상도로 제한 됩니다. 여러 가지 방법은 나노초 해상도 실리콘에 불순물 역학 조사이 연구에서 사용 되는 모든 전자 시간 해결 STM 등이 단점을 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 여기에 제시 된 방법을 광범위 하 게 액세스할 수 하 고 다양 한 역학 원자 규모의 현지 측정에 대 한 허용 한다. 소설에 제시는 터널링 분광학 기술 검색 및 역학에 대 한 효율적으로 검색 하는 데 사용 시간으로 해결.
Introduction
터널링 현미경 (STM) 스캔 nanoscience 원자 규모 지형과 전자 구조를 해결 하는 능력에 대 한에서 최고의 도구가 되고있다. 그러나 기존의 STM의 한계가, 그것의 임시 해결책은 현재 프리 앰프1의 제한 된 대역폭으로 인해 밀리초 날짜 표시줄 제한입니다. 그것은 오래는 원자 과정은 일반적으로 발생 하는 저울을 STM의 시간적 해상도 확장 하는 목표 되었습니다. 시간-터널링 현미경 (STM TR) 검색에 의해 해결 프리먼 외 여러분 에서 작동 하는 개척 1 찰 스위치 및 마이크로 스트립 전송 선 터널 접합에 피코 초 전압 펄스를 전송 하는 샘플에 꽃무늬를 활용. 하지만이 접합 혼합 기법 1 nm와 20 ps2, 동시 해상도 달성 하기 위해 사용 되는 그것 결코 널리 채택 되어 전문된 샘플 구조를 사용 하 여 요구 사항으로 인해. 다행히도,이 작품에서 얻은 기본적인 통찰력 많은 시간 해결 기술;에 일반화 될 수 있습니다. STM의 회로의 대역폭 제한 여러 kilohertz 비록, STM에 비-선형 I(V) 응답 빠른 역학을 많은 펌프-프로브 사이클을 통해 얻은 평균 터널 전류를 측정 하 여 찾는 것을 수 있습니다. 개입 년에서 많은 접근 탐험 되어, 어떤을의 가장 인기 있는 간략하게 검토 아래.
동요-펄스-쌍-흥분 (SPPX) STM 직접 터널 접합을 밝게 조명 하 고 흥미로운 샘플3운반대에 의해 서브 피코 초 분해능을 달성 초고속 펄스 레이저 기술에서 진보를 활용 합니다. 입사 레이저 빛 정도 강화 전도, 무료 사업자 만들고 펌프와 프로브 (td) 사이 지연의 수 d나/dtd 잠금 앰프 측정 합니다. 펌프와 프로브 사이의 지연 보다는 다른 많은 광학 방식에서 레이저의 강도 변조 때문에 SPPX-STM 사진 조명 유도 열팽창 팁3의 방지 합니다. 이 접근의 최근 확장은 SPPX STM 펌프-프로브 지연 시간4의 범위를 확대를 펄스 따기 기법을 활용 하 여 역학 조사를 사용할 수 있는 날짜 표시줄을 확대 했습니다. 중요 한 것은,이 최근 개발도 보다는 숫자 통합을 통해 직접 나(td) 곡선을 측정 하는 능력을 제공 합니다. SPPX-STM의 최근 응용 프로그램에 단일-캐리어 재결합의 연구를 포함 했다 (Mn, Fe)/GaAs(110) 구조는 GaAs6기증자와5 역학. SPPX-STM의 응용 프로그램 일부 제한 얼굴. SPPX STM 측정 신호 그리고 무료 사업자 광 펄스에 의해 흥분된에 따라 반도체에 가장 적합 하다. 또한, 비록 큰 지역 광 펄스에 의해 흥분 하기 때문에, 끝에 지역화 터널링 전류, 신호 로컬 속성 및 소재 전송 회선입니다. 마지막으로, 접합에 바이어스를 역학 연구에서 photoinduced 이어야 합니다. 측정 날짜 표시줄에 고정 됩니다.
최근 광학 기술, 고주파 STM (THz-STM), 자유 공간 THz 펄스 STM 팁에 교차점에 초점을 맞춘 커플. 달리 SPPX STM에 결합 된 펄스 빠른 전압 펄스 서브 피코 초 분해능7전자 구동된 업무가의 조사에 대 한 허용으로 동작 합니다. 흥미롭게도, 정류 전류 THz 펄스에서 결과 액세스할 수 없는 극단적인 피크 전류 밀도에 의해 생성 기존의 STM8,9. 기술은 최근 Si(111)-(7×7)9 뜨거운 전자를 연구 하 고 이미지를 단일 pentacene 분자10의 진동 사용 되었습니다. 그러나 THz 펄스 자연스럽 게 끝에 몇 가지,, STM 실험에 THz 소스 통합 필요성 많은 경험에 도전 될 것입니다. 이 다른 광범위 하 게 적용 하 고 쉽게 구현 기술의 개발 동기.
2010 년, 싫은 외. 11 나노초 전압 펄스 DC 오프셋 위에 전자 적용 펌프와 프로브 시스템11모든 전자 기술 개발. 이 기술의 소개는 명확 하 고 실용적인 응용 프로그램의 시간 해결 STM의 이전 지켜지지 않은 물리학을 측정 하는 중요 한 데모를 제공 합니다. 교차점 앞, STM 혼합으로 빨리 하는 것은 아니지만 임의의 샘플 조사를 허용 STM 팁에 펄스 마이크로웨이브를 적용 합니다. 이 기술은 어떤 복잡 한 광학 방법론 또는 STM 접합에 광 액세스 필요 하지 않습니다. 이것은 낮은 온도 STMs에 적응 하기 쉬운 기술. 이 기술의 첫 번째 데모는 스핀 편광 STM를 스핀 상태 펌프 펄스11흥분된의 휴식 역학 측정 하는 데 사용 했다 회전 역학의 연구에 적용 했다. 최근까지, 자석 adatom 시스템12,,1314 남아 제한 하지만 응용 프로그램 개별 중간 간격에서 캐리어 캡처 속도의 연구에 확장 되었습니다 이후15 와 역학을 충전 단일 비소 dopants 실리콘15,16. 후자의 연구가이 작품의 초점 이다.
보완 금속 산화물 반도체 (CMOS) 장치는 지금 입력 정권이 어디 단일 dopants 장치 속성17 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일 dopants 반도체에서의 속성에 대 한 연구는 상당한 관심을 끌었다 최근 . 더하여, 몇몇 학문은 설명 했다 미래의 디바이스의 기본 구성 요소로 서, 예를 들어 qubits 양자 계산18 및 양자 메모리19, 및 단일 원자 트랜지스터가20 단일 dopants 사용할 수 있습니다. , 15. 미래 장치 또한 실리콘 본드 (DB) STM 리소 그래피21원자 정밀 패턴 수 매달려 등 다른 원자 규모 결함을 통합할 수 있습니다. 이 위해, DBs 충전 qubits22, 양자 점 양자 셀룰러 오토 마 타 아키텍처23,24, 및 원자 전선25,26 으로 제안 되어 고 만드는 패턴 양자 해밀턴 논리 문27 및 인공 분자28,29. 앞으로 이동, 장치 단일 dopants 및 DBs를 통합할 수 있습니다. 이 매력적인 전략 DBs는 될 수 있는 쉽게 STM 특징 단일 불순물 장치 특성화를 핸들로 사용 표면 결함 때문입니다. 이 전략의 예를 들어, DBs 표면 근처 dopants의 충전 역학 유추 충전 센서로이 작품에 사용 됩니다. 이러한 역학 모든 전자 TR-STM 싫은 연구진이 개발한 기술에서 적응을의 사용 하 여 캡처 11
측정 종료 수소 Si(100)-(2×1) 표면에 선택한 DBs에서 수행 됩니다. 도 펀트 고갈 영역 확장 약 60 nm, 표면 아래 크리스탈30의 열 처리를 통해 만든 DB와 대량 밴드에서 몇 나머지 표면 근처 dopants 분리. DBs의 STM 연구 그들의 전도도 글로벌 샘플 등의 매개 변수, dopants의 온도, 농도에 따라 결정 되지만 개별 DBs는 또한16그들의 지역 환경 따라 강한 유사를 보여을 발견 했다. 단일 DB 이상의 STM 측정, 동안 전류 흐름 속도는 전자 팁 (Γ팁)을 DB와 DB (Γ대량)에 대량에서 터널 수에 의해 규율 됩니다 (그림 1). 그러나, DB의 전도 지역 환경에 민감한 때문에, 가까운 dopants의 충전 상태 Γ대량 (그림 1B), DB의 전도성을 모니터링 하 여 유추 될 수 있는 영향. 결과적으로, DB의 전도도 근처 dopants의 충전 상태를 감지 하는 데 사용할 수 있습니다 되는 dopants는 요금 제공 대량 (ΓLH)에서 전자를 결정 하는 데 사용 수 있고 STM 팁에 그들을 잃고 (ΓHL ). 해결 하려면 이러한 역학, TR-STS는 끝 표면 근처 dopants의 이온화를 유도 임계값 전압 (Vthr) 주위 수행 됩니다. 펌프와 프로브 펄스의 역할은 세 가지 시간 해결 실험 기술 여기에서 동일. 펌프 정도 제공 바이어스 레벨 아래에서 V세, 불순물의 이온화를 유도 이상 합니다. 이 낮은 바이어스에 따르는 프로브 펄스에 의해 샘플링 되는 DB의 전도성을 증가 시킵니다.
이 문서에 설명 된 기술을 그 STM와 나노초 시간 간격을 밀리초에서 발생 하는 역학을 특성화 하고자 도움이 됩니다. 이러한 기술은 충전 역학 공부에 국한 되지 않습니다, 하는 동안 역학의 STM (즉, : 상태 또는 표면 근처에)에 의해 조사 될 수 있는 전도성 과도 변화를 통해 보여진는 결정적 이다. 프로브 펄스 듀티 사이클 (일반적으로 시스템 잡음 플로어 보다 작은 경우 임시 상태의 전도성 다 하지 않습니다 크게 평형 상태에서 변이 및 평형 전류 사이의 차이 곱한 되도록 1 pA), 신호는 잡음에 손실 됩니다 하 고이 기술에 의해 감지 되지 않습니다. 이 문서에서 설명 하는 데 필요한 상업적으로 사용할 수 있는 STM 시스템의 실험 수정 겸손 이기 때문에, 이러한 기술을 널리 사회에 액세스할 수 있을 것입니다 예상 된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
TR-STS는 펌프 펄스 적용 되지 않습니다의 이체는 기존의 STS에 비해 시스템 보다 지속적으로 높은 주파수에서 샘플링 되는. 프로브 펄스의 기간 적절 한 경우 (>ΓLH), TR-STS 신호 펌프 펄스 기존의 STS와 정확히 일치 하는 실험의 듀티 사이클에 비례 상수를 곱한 수 없이 인수 측정입니다. 이것은 가능 측정 잠금 증폭기, 그렇지 않으면 사용 되는 저역 통과 필터링으로 인해 신호의 알 수 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 그들의 기술력에 대 한 마틴 Cloutier 마크 Salomons를 감사 하 고 싶습니다. 우리 또한 재정 지원을 위한 NRC, NSERC, 및 AITF을 감사합니다.
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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