All-elektronische Nanosecond-resolved Scanning Tunneling microscopie: Vergemakkelijken van het onderzoek van één dopering gratis Dynamics

Summary

We tonen een all-elektronische methode om te observeren nanosecond-resolved gratis dynamiek van dopering atomen in silicium met een scanning tunneling microscoop.

Abstract

De miniaturisatie van halfgeleidermateriaal op schalen waar kleine aantallen dopants apparaateigenschappen kunt vereist de ontwikkeling van nieuwe technieken kunnen karakteriseren van hun dynamiek. Onderzoeken van één dopants vereist sub nanometer ruimtelijke resolutie, die het gebruik van de scanning tunneling microscopie (STM) motiveert. Conventionele STM is echter beperkt tot milliseconde temporele resolutie. Verschillende methoden hebben ontwikkeld om te overwinnen deze tekortkoming, met inbegrip van all-elektronische time-resolved STM, waarmee in deze studie onderzoeken dopering dynamiek in silicium met nanosecond resolutie. De hier gepresenteerde methoden zijn algemeen toegankelijk en laten voor lokale meting van een breed scala aan dynamiek op de atoomschaal. Een roman resolved time-scannen tunnelingtechniek spectroscopie is gepresenteerd en gebruikt voor het efficiënt zoeken voor dynamics.

Introduction

De premier hulpmiddel in nanoscience voor haar vermogen om op te lossen atoomschaal topografie en Elektronenstructuur scanning tunneling microscopie (STM) geworden. Een beperking van de conventionele STM, is echter dat de temporele resolutie beperkt tot de milliseconde tijdschaal vanwege de beperkte bandbreedte van de huidige voorversterker^{1 is}. Het is al lang een doel om uit te breiden van de temporele resolutie STM van naar de schalen waarop atomaire processen vaak voordoet. De baanbrekende werken time-resolved scanning tunneling microscopie (STM-TR) door Freeman et. al. ¹ gebruikt fotogeleidende schakelaars en microstrip transmissielijnen patroon op het monster te zenden picosecond spanning pulsen naar de kruising van de tunnel. Deze kruising-mengen techniek is gebruikt om gelijktijdige resoluties van 1 nm en 20 ps², maar het is nooit algemeen goedgekeurd als gevolg van de eis van het gebruik van gespecialiseerde monster structuren. Gelukkig, de fundamentele inzichten opgedaan uit deze werken kan worden gegeneraliseerd naar veel tijd-resolved technieken; Hoewel de bandbreedte van de STM van circuits beperkt tot enkele kilohertz is, kan de niet-lineaire mestvee reactie in STM sneller dynamiek te worden bestudeerd door het meten van de gemiddelde tunnel huidige verkregen over vele pomp-sonde cycli. In de tussenliggende jaren, vele benaderingen werden onderzocht, de meest populaire waarvan zijn kort herzien hieronder.

(SPPX)-STM geschud-puls-paar-enthousiast maakt gebruik van de vooruitgang in ultrasnelle gepulste laser technologieën sub picosecond om oplossing te bereiken door direct het verlichten van de tunnel afslag en spannende dragers in de steekproef³. Incident laserlicht maakt gratis vervoerders die Transient geleiding verbeteren en modulatie van de vertraging tussen de pomp en de sonde (t_d) kunt dik/dt_d te meten met een versterker lock-in. Omdat de vertraging tussen de pomp en de sonde wordt gemoduleerd in plaats van de laser van intensiteit, zoals in veel andere optische benaderingen, vermijdt SPPX-STM foto verlichting-geïnduceerde thermische uitzetting van de tip³. Meer recente uitbreidingen van deze aanpak hebben de termijnen waarover SPPX-STM kan worden gebruikt voor het onderzoeken van de dynamiek door gebruik te maken van de puls-picking technieken om te vergroten van het bereik van de pomp-sonde vertraging keer⁴uitgebreid. Nog belangrijker is, biedt deze recente ontwikkeling ook de mogelijkheid voor het meten van ik(t_d) curven rechtstreeks in plaats van via numerieke integratie. Recente toepassingen van SPPX-STM in single – de studie van vervoerder recombinatie hebben opgenomen (Mn, Fe)/GaAs(110) structuren⁵ en donor dynamiek in GaAs⁶. Toepassingen van SPPX-STM geconfronteerd met enkele beperkingen. Het signaal DAT SPPX-STM maatregelen hangt aan gratis vervoerders opgewonden door de optische pulsen en meest geschikt is voor halfgeleiders. Bovendien, hoewel de huidige tunneling is gelokaliseerd aan het uiteinde, omdat een groot gebied is opgewonden door de optische pulsen, is het signaal een convolutie van de eigenschappen van de lokale en materiële vervoer. Tot slot is de bias op het kruispunt vastgesteld op de tijdschaal meting zodat de dynamiek onder studie licht moet.

Een meer recente optische techniek, terahertz (THz-STM), STM paren gratis-ruimte THz pulsen gericht op het kruispunt naar het uiteinde van de STM. In tegenstelling tot in SPPX-STM, de gekoppelde pulsen gedragen zich als snelle spanning pulsen, waardoor voor het onderzoek van elektronisch gedreven excitaties met sub picosecond resolutie⁷. Interessant is dat de gerectificeerde huidige gegenereerd op basis van de pulsen THz resultaten in extreme piek stroom dichtheden niet toegankelijk door conventionele STM-^8,9. De techniek is onlangs gebruikt om te bestuderen van hete elektronen in Si(111)-(7×7)⁹ en beeld van de trilling van een enkele Pentaceen molecuul¹⁰. THz-peulvruchten natuurlijk paar tot aan de vingertop, echter de noodzaak om te integreren een THz bron aan een experiment STM dreigt te worden uitdagend om te veel onderzoekers. Dit motiveert de ontwikkeling van andere breed inzetbaar en gemakkelijk uitvoerbare technieken.

In 2010, Loth et al. ¹¹ ontwikkeld een all-elektronische techniek waar nanosecond spanning pulsen toegepast op de top van een DC-offset elektronisch pomp en het systeem¹¹sonde. De invoering van deze techniek aangeboden een kritische demonstratie van ondubbelzinnige en praktische toepassingen van time-resolved STM voor het meten van de eerder onopgemerkt natuurkunde. Hoewel het niet zo snel als junction mengen STM, dat eraan voorafging, toelaat magnetron pulsen toe te passen op het puntje van de STM willekeurige monsters worden onderzocht. Deze techniek vereist geen gecompliceerde optische methodes of optische toegang naar de kruising van de STM. Dit maakt het de eenvoudigste techniek aan te passen aan lage temperatuur STM’s. De eerste demonstratie van deze technieken werd toegepast op de studie van spin-dynamiek waar een spin-gepolariseerde STM werd gebruikt voor het meten van de dynamiek van de ontspanning van spin-Staten opgewonden door de pomp pulsen¹¹. Tot voor kort, de toepassing ervan bleef beperkt tot magnetische adatom systemen^12,13,14 , maar heeft sinds uitgebreid tot de studie van vervoerder vastleggen tarief van een discrete halverwege gap staat¹⁵ en opladen van dynamiek van één arseen dopants in silicon^15,16. De laatste studie is de focus van dit werk.

Studies over de eigenschappen van één dopants in halfgeleiders hebben onlangs aanzienlijke aandacht getrokken omdat aanvullend metalen zuurstofverbinding semiconductor (CMOS) apparaten zijn nu het betreden van het regime waar één dopants kunnen beïnvloeden apparaateigenschappen¹⁷ . Bovendien, hebben verschillende studies aangetoond dat één dopants als de fundamentele component van toekomstige apparaten, bijvoorbeeld als qubits voor quantum computation¹⁸ en quantum geheugen¹⁹, en als één atoom transistoren^{20 dienen kunnen , 15}. toekomst apparaten kunnen ook andere atoomschaal gebreken, zoals het silicium bungelen bond (DB), die kan worden patroon met atomaire precisie met STM lithografie²¹opnemen. Te dien einde DBs hebben voorgesteld als lading qubits²², quantumdots quantum cellulaire automaten platforms^23,24, en atomaire draden^25,26 en hebben zijn patroon om te maken Quantum Hamiltoniaan logica gates²⁷ en kunstmatige moleculen^28,29. Vooruit, kunnen apparaten verwerken zowel interne dopants en DBs. Dit is een aantrekkelijke strategie omdat DBs oppervlak gebreken die gemakkelijk kunnen worden gekenmerkt met STM en gebruikt als een handvat om te karakteriseren enkele dopering apparaten aanwezig zijn. Als een voorbeeld van deze strategie, zijn DBs in dit werk gebruikt als gratis sensoren afleiden van de opladen dynamiek van in de buurt van het oppervlak dopants. Deze dynamiek worden vastgelegd met het gebruik van een all-elektronische aanpak TR-STM die is aangepast van de technieken ontwikkeld door Loth et al. ¹¹

Metingen worden uitgevoerd op geselecteerde DBs op een oppervlak van de Si(100)-(2×1) waterstof beëindigd. Een dopering uitputting regio uit te breiden van ongeveer 60 nm onder het oppervlak, gemaakt via thermische behandeling van de crystal³⁰, loskoppelt van de DB en de paar resterende dopants van de in de buurt van het oppervlak van de bulk-bands. STM onderzoeken voor DBs is gebleken dat hun geleidbaarheid afhankelijk van globale steekproef parameters, zoals de concentratie van dopants en de temperatuur is, maar individuele DBs Toon ook sterk verschillen afhankelijk van hun lokale milieu-¹⁶. Tijdens een meting van de STM over een enkele DB, de stroom wordt beheerst door het tarief waartegen elektronen kunnen tunnel van de massa aan de DB (Γ_bulk) en van de DB tot aan de vingertop (Γ_tip) (Figuur 1). Echter omdat de geleiding van de DB gevoelig voor de omgeving is, invloeden de staat van de kosten van de nabijgelegen dopants Γ_bulk (figuur 1B), die kan worden afgeleid door monitoring van de DB’s geleidbaarheid. Dientengevolge, de geleidbaarheid van een DB kan worden gebruikt om het gevoel van de Staten van de last van de nabijgelegen dopants, en kan worden gebruikt om te bepalen de prijzen waartegen de dopants zijn geleverd elektronen uit de bulk (Γ_LH) en verliezen ze tot aan de vingertop STM (Γ_{HL ). U kunt oplossen door deze dynamiek, wordt TR-STS uitgevoerd rond de drempel spanningen (Vthr) waartegen de tip induceert ionisatie van in de buurt van het oppervlak dopants. De rol van de pomp en sonde pulsen is hetzelfde in de drie time-resolved experimentele technieken die hier gepresenteerd. De pomp brengt Transient het bias niveau van onderen naar boven Vthr, die dopering ionisatie induceert. Dit verhoogt de geleidbaarheid van de DB, die door de sonde pols die op een lagere vooroordeel volgt wordt bemonsterd.}

De technieken beschreven in dit document zullen degenen die willen karakteriseren dynamiek die plaatsvinden in de milliseconden aan nanosecond tijdschaal met STM profiteren. Terwijl deze technieken niet beperkt zijn tot het bestuderen van de dynamiek van de lading, is het cruciaal dat de dynamiek zich manifesteren via tijdelijke veranderingen in de geleidbaarheid van staten die kunnen worden bestudeerd door STM (dat wil zeggen, de Staten op of in de buurt van het oppervlak). Als de geleidbaarheid van de voorbijgaande Staten niet aanzienlijk van de staat van evenwicht, verschilt zodanig dat vermenigvuldigd met het verschil tussen de Transiënten- en evenwicht stromingen is de taakcyclus van de sonde-puls kleiner dan de systemen noise-floor (meestal 1 pA), het signaal verloren zal gaan in het lawaai en zullen niet aantoonbaar met deze techniek. Omdat de experimentele wijzigingen van commercieel beschikbare STM systemen vereist voor het uitvoeren van de technieken beschreven in dit document bescheiden zijn, naar verwachting dat deze technieken zullen algemeen toegankelijk naar de Gemeenschap.

Protocol

1. initiële installatie van Microscoop en experimenten Begin met een met vacuüm cryogene-compatibele STM en bijbehorende controlesoftware. Koel de STM aan cryogene temperaturen.Opmerking: In dit verslag, met vacuüm verwijst naar systemen die bereiken < 10 x 10-10 Torr. De STM moet worden afgekoeld tot cryogene temperaturen; Dit is vooral belangrijk bij het onderzoeken van de dynamiek van de kosten van dopants, die zijn thermisch geactiveerd bij bescheiden temperaturen. Andere kamers kunnen wor…

Representative Results

De resultaten gepresenteerd in dit gedeelte van de tekst zijn eerder gepubliceerde15,16. Figuur 3 illustreert het gedrag van een voorbeeld geselecteerd DB met conventionele STM. Een conventionele mestvee meting (figuur 3A) toont duidelijk een scherpe veranderingen in de geleidbaarheid van de DB op Vthr -2,0 V =. Dit gedrag is ook waargenomen in STM opn…

Discussion

De variant van de TR-St waarin de pols van de pomp niet wordt toegepast is vergelijkbaar met conventionele St, behalve dat het systeem is op een hoge frequentie in plaats van voortdurend wordt bemonsterd. Als de totale duur van de pulsen sonde geschikt zijn (>Γ_LH), de TR-STS signaal verworven zonder de pomp pols vermenigvuldigd kan worden met een constante verhouding staat tot de taakcyclus van het experiment te laten samenvallen met een conventionele St precies meting. Dit is alleen mogelijk omdat d…

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