All-elektroniske nanosekund-løst Scanning Tunneling Mikroskopi: At lette undersøgelsen af enkelt Dopant afgift Dynamics

Summary

Vi demonstrere en all-elektroniske metode til at observere nanosekund-løst afgift dynamikken i dopant atomer silicium med en scanning tunneling mikroskop.

Abstract

Miniaturisering af halvlederkomponenter til skalaer hvor lille antal energiniveauerne kan styre enhedsegenskaber kræver udvikling af nye teknikker i stand til at karakterisere deres dynamics. Undersøge enkelt energiniveauerne kræver sub nanometer rumlige opløsning, som motiverer brugen af scanning tunneling mikroskopi (STM). Konventionelle STM er dog begrænset til millisekund tidsmæssige opløsning. Flere metoder er blevet udviklet for at overvinde denne mangel, herunder alle-elektroniske tidsopløst STM, som anvendes i denne undersøgelse for at undersøge dopant dynamics silicium med nanosekund opløsning. De metoder, der præsenteres her er bredt tilgængelige og giver mulighed for lokal måling af en bred vifte af dynamik på atomar skala. En roman tidsopløst scanning tunneling spektroskopi teknik er præsenteret og brugt effektivt søge efter dynamics.

Introduction

Scanning tunneling mikroskopi (STM) er blevet det førende værktøj i nanoscience for sin evne til at løse atomic-scale topografi og elektroniske struktur. En begrænsning af konventionelle STM, er imidlertid, at dens tidsmæssige opløsning er begrænset til millisekund tidsskalaen på grund af den begrænsede båndbredde på den nuværende forforstærker¹. Det har længe været et mål at udvide STMS tidsmæssige opløsning til skalaer som atomare processer almindeligt forekommende. Den banebrydende arbejde tidsopløst scanning tunneling mikroskopi (TR-STM) af Freeman et. al. ¹ udnyttede photoconductive switche og mikrostrip transmissionsledninger mønstret på prøve at overføre Pico spænding pulser til tunnel junction. Denne blanding af krydset teknik er blevet brugt til at opnå samtidige beslutninger fra 1 nm og 20 ps², men det er aldrig blevet bredt vedtaget på grund af kravet om ved hjælp af specialiseret prøve strukturer. Heldigvis, den grundlæggende indsigt fra disse værker kan generaliseres til mange tidsopløst teknikker; selv om båndbredde af STMS kredsløb er begrænset til flere kilohertz, den ikke-lineære opdrætternes svar i STM giver mulighed for hurtigere dynamics til at blive aftestede ved at måle den gennemsnitlige tunnel nuværende opnået over mange pumpe-sonde cyklusser. I de mellemliggende år, mange tilgange har været undersøgt, de mest populære som er kort gennemgået nedenfor.

Rystet-pulse-par-ophidset (SPPX) STM udnytter fremskridt i ultrahurtig pulserende laser teknologier til at opnå sub Pico opløsning ved direkte lysende tunnel junction og spændende luftfartsselskaber i eksempel³. Hændelse laserlys skaber gratis luftfartsselskaber, der forbigående forbedrer overledning, og graduering af forsinkelse mellem pumpen og sonde (t_d) tillader djeg/dt_d skal måles med en lock-in forstærker. Fordi forsinkelse mellem pumpen og sonde er moduleret snarere end laser intensitet, som i mange andre optiske tilgange, undgår SPPX-STM foto belysning-induceret termisk udvidelse af spidsen³. Nyere udvidelser af denne tilgang har udvidet de tidsfrister, som SPPX-STM kan bruges til at undersøge dynamik ved at udnytte pulse-picking teknikker til at øge vifte af pumpe-sonde forsinkelse gange⁴. Vigtigst, giver denne seneste udvikling også mulighed for at måle, jeg(t_d) kurver direkte snarere end via numerisk integration. Seneste programmer af SPPX-STM har inkluderet studiet af carrier rekombination i enkelt-(Mn, Fe)/GaAs(110) strukturer⁵ og donor dynamik i GaAs⁶. Anvendelser af SPPX-STM står over for nogle begrænsninger. Signalet SPPX-STM foranstaltninger afhænger af gratis luftfartsselskaber ophidset af de optiske pulser og er bedst egnet til halvledere. Desuden, selv om den tunneling nuværende er lokaliseret på spidsen, fordi et stort område er begejstrede for de optiske pulser, er signalet en foldning af den lokale egenskaber og materiale transport. Endelig, bias ved krydset er fast på måling tidsskalaen således at dynamics under undersøgelse skal være lysinducerede.

En nyere optisk teknik, terahertz STM (THz-STM), par gratis plads THz pulser fokuseret på krydset STM-tip. I modsætning til i SPPX-STM, de koblede pulser opfører sig som fast spænding pulser giver mulighed for undersøgelse af elektronisk drevet excitationer med sub Pico opløsning⁷. Interessant nok, genereret den rektificeret aktuelle fra THz pulser resultater i ekstreme peak strømtætheder ikke tilgængelig af konventionelle STM^8,9. Teknikken er blevet brugt for nylig at studere hot elektroner i Si(111)-(7×7)⁹ og image vibrationer i en enkelt pentacene molekyle¹⁰. THz-pulser naturligvis par på spidsen, men nødvendigheden af at integrere en THz kilde til et STM eksperiment er tilbøjelige til at være en udfordring at mange eksperimentatorer. Dette motiverer udviklingen af andre almindeligt gældende og let gennemførlige teknikker.

I 2010, siger et al. ¹¹ udviklet en all-elektroniske teknik hvor nanosekund spænding pulser anvendes på toppen af en DC offset elektronisk pumpe og sonde systemet¹¹. Indførelsen af denne teknik tilbydes en kritisk demonstration af entydige og praktiske anvendelser af tidsopløst STM at måle tidligere ubemærket fysik. Selv om det ikke er så hurtigt som krydset blanding STM, der gik forud, tillader anvende mikrobølgeovn pulser på STM-tip vilkårlige prøver skal undersøges. Denne teknik kræver ikke nogen kompliceret optiske metoder eller optisk adgang til STM krydset. Dette gør det den nemmeste teknik til at tilpasse sig til lav temperatur STM’er. Den første demonstration af disse teknikker blev anvendt til undersøgelse af spin-dynamics hvor en spin-polariseret STM blev brugt til at måle afslapning dynamikken i spin-stater ophidset af pumpe pulser¹¹. Indtil for nylig, dens anvendelse forblev begrænset til magnetiske adatom systemer^12,13,14 , men har siden blevet udvidet til studiet af carrier capture sats fra et diskret midten hul tilstand¹⁵ og opkræve dynamics af enkelt arsen energiniveauerne i silicon^15,16. Den sidstnævnte studie er fokus for dette arbejde.

Undersøgelser af enkelt energiniveauerne i halvledere egenskaber har for nylig sig stor opmærksomhed, fordi komplementær metal oxide semiconductor (CMOS) enheder nu indtaster regimet hvor enkelt energiniveauerne kan påvirke enhedsegenskaber¹⁷ . Derudover har flere undersøgelser vist at enkelt energiniveauerne kan tjene som den grundlæggende komponent i fremtidige enheder, for eksempel som qubits for kvante beregning¹⁸ og quantum hukommelse¹⁹, og som enkelt atom transistorer^{20 , 15}. fremtidige enheder kan også omfatte andre atomic-scale defekter, såsom silicium dinglende bond (DB), som kan være mønstrede med atomic præcision med STM litografi²¹. Med henblik herpå, DBs er blevet foreslået som afgift qubits²², quantum dots for quantum cellulære automata arkitekturer^23,24, og atomic ledninger^25,26 og har været mønstrede for at oprette Quantum Hamiltonske logik gates²⁷ og kunstige molekyler^28,29. Bevæger sig fremad, kan enheder omfatte både enkelt energiniveauerne og DBs. Dette er en attraktiv strategi, fordi DBs overfladefejl, der let kan karakteriseres med STM og bruges som et håndtag til at karakterisere enkelt dopant enheder. Som et eksempel på denne strategi, er DBs bruges i dette arbejde som afgift sensorer til at udlede nær overfladen energiniveauerne opladning dynamik. Disse dynamikker er fanget med brug af en all-elektronisk tilgang til TR-STM, der er tilpasset fra teknikker udviklet af nødig et al. ¹¹

Målingerne udføres på udvalgte DBs på en hydrogen opsagt Si(100)-(2×1) overflade. En dopant nedbrydning region udvider ca 60 nm under overfladen, oprettet via termisk behandling af krystal³⁰, decouples DB og de få resterende nær overfladen energiniveauerne fra bulk bands. STM undersøgelser af DBs har fundet, at deres ledningsevne er afhængig af globale prøve parametre, såsom koncentrationen af energiniveauerne og temperatur, men enkelte DBs viser også stærk variationer afhængigt af deres lokale miljø¹⁶. Under en STM måling over en enkelt DB, den nuværende flow er styret af den hastighed, hvormed elektroner kan tunnel fra bulk til DB (Γ_bulk) og fra DB til spids (Γ_tip) (figur 1). Men fordi overledning af DB er følsomme over for sin lokale miljø, afgift tilstand af nærliggende energiniveauerne påvirker Γ_bulk (figur 1B), som kan udledes af overvågningen DBS ledningsevne. Som et resultat, ledningsevne i en DB kan bruges til at fornemme charge staterne af nærliggende energiniveauerne, og kan bruges til at bestemme de satser, hvormed energiniveauerne er leveret elektroner fra bulk (Γ_LH) og miste dem til STM-tip (Γ_{HL ). Du kan løse disse dynamikker, er TR-STS udført omkring tærskel spænding (Vthr) hvor spidsen inducerer ionisering af nær overfladen energiniveauerne. Rollen som de pumpe og sonde pulser er den samme i de tre tidsopløst eksperimentelle teknikker præsenteret her. Pumpen bringer forbigående bias niveauet fra neden ovenfor Vthr, som inducerer dopant ionisering. Dette øger konduktans af DB, som er udtaget af sonden pulsen, der følger på en lavere bias.}

De teknikker, der er beskrevet i denne hvidbog vil gavne dem, der ønsker at karakterisere dynamics forekommer på millisekund til nanosekund tidsskalaen med STM. Mens disse teknikker ikke er begrænset til at studere afgift dynamics, er det afgørende, at dynamikken er manifesteret via forbigående ændringer i ledningsevne af stater, der kan blive aftestede af STM (dvs. stater på eller nær overfladen). Hvis ledningsevne af de forbigående stater ikke afviger væsentligt fra tilstanden balance således, at forskellen mellem de forbigående og ligevægt strømninger ganges med er sonden puls normeret maksimalydelse mindre end systemer støj gulv (typisk 1 pA), signalet vil gå tabt i støj og vil ikke kunne påvises ved denne teknik. Fordi de eksperimentelle ændringer af kommercielt tilgængelige STM systemer kræves for at udføre de teknikker, der er beskrevet i denne hvidbog er beskedne, forventes disse teknikker vil være bredt tilgængelige for Fællesskabet.

Protocol

1. indledende opsætning af mikroskop og eksperimenter Begynd med en ultrahigh vakuum kryogene-habil STM og tilhørende software kontrol. Cool STM til kryogene temperaturer.Bemærk: I hele denne betænkning, ultrahigh vakuum henviser til systemer, der opnår < 10 x 10-10 Torr. STM bør nedkøles til kryogene temperaturer; Dette er især vigtigt, når efterforskning opladning dynamikken i energiniveauerne, der termisk aktiveres ved beskedne temperaturer. Andre kamre kan være ved stuetemperatur.</…

Representative Results

Resultaterne præsenteres i dette afsnit af teksten har været tidligere udgivne15,16. Figur 3 illustrerer funktionsmåden for eksempel valgt DB med konventionelle STM. En konventionel opdrætternes måling (figur 3A) tydeligt skildrer en skarp ændring i ledningsevne af DB ved Vthr =-2.0 V. Denne funktionsmåde er også observeret i STM billeder taget…

Discussion

Varianten af TR-STS, pumpe puls ikke gælder er sammenlignelig med konventionelle STS, bortset fra at systemet er at være udtaget på en høj frekvens i stedet for løbende. Hvis varigheden af sonden bælgfrugter er hensigtsmæssige (>Γ_LH), TR-STS signal erhvervet uden pumpe pulsen kan multipliceres med en konstant proportional med det eksperiment normeret maksimalydelse præcis med en konventionel STS måling. Dette er kun muligt, fordi målingerne er lavet uden brug af en lock-in forstærker, som …

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