すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。
Summary
走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.
Abstract
ドーパントの小さな数字がデバイスのプロパティを制御することができますスケールに半導体デバイスの微細化には、そのダイナミクスを特徴付けることができる新たな技術の開発が必要です。単一ドーパントの調査と、走査トンネル顕微鏡 (STM) の使用に動機を与えるサブナノ空間分解能が必要です。ただし、従来 STM は、ミリ秒時間分解能に限定されます。いくつか方法は、ナノ秒単位の精度を持つシリコンのドーパントのダイナミクスを調べる本研究で使用されているすべての電子の時間分解 STM を含む、この欠点を克服するために開発されています。ここで示される方法は広くアクセス可能なさまざまなダイナ ミックスを原子スケールでのローカル測定を可能にします。小説時間分解走査トンネル分光法を提示、ダイナミクスを効率的に検索するために使用します。
Introduction
走査型トンネル顕微鏡 (STM) 原子スケール地形と電子構造を解決する能力のためのナノサイエンスのプレミア ツールとなっています。従来 STM の制限の 1 つは、ただし、現在プリアンプ1の限られた帯域幅のための時空間解像度をミリ秒タイム スケールに限定されることです。それは長い原子過程がよく発生するスケールを STM の時間分解能を拡張するための目標をされています。時間分解走査トンネル顕微鏡 (STM-TR) フリーマンらによって先駆的な作業します。1は、光導電スイッチとマイクロ ストリップ線路のトンネル接合するピコ秒電圧パルスを送信するサンプルのパターンを活用しました。このジャンクション混合技法は、1 nm と 20 ps2の同時解像度を達成するために使用されていますが、それは広く採用されている特殊なサンプルの構造を使用しての要件のため。幸いにも、これらの作品から得た基本的な洞察力は多く時間分解テクニックに一般化できます。STM の回路の帯域幅が複数のキロヘルツに限られているにもかかわらず、STM における非線型 I(V) 応答は多くのポンプ ・ プローブ サイクルで得られた平均トンネル電流を測定することによりプローブの高速ダイナミクスをできます。その間、多くのアプローチが検討されている、最も人気のある、以下の見直しについて簡単にします。
動揺パルス ペア-励起 (時間) STM は、トンネル接合を直接照明とエキサイティングなキャリア サンプル3のサブピコ秒の分解能を達成するために超高速パルスレーザ技術の進歩の活用します。入射レーザー光が一過性伝導を高める無料のキャリアを作成し、ポンプ ・ プローブ (td) 間の遅延の変調により d の私/dtdロックイン アンプで測定します。ポンプとプローブの間の遅延は、他の多くの光学的アプローチのように、レーザーの強度ではなく変調ので時間 STM は、ヒント3の写真照明による熱膨張を回避できます。このアプローチの最近の拡張は、ポンプ-プローブ遅延時間4の範囲を拡大するパルス ピッキングのテクニックを用いたダイナミクスを調べるに使用できます時間 STM をタイム スケールを拡張しています。重要なは、この最近の開発には、数値積分ではなく直接私(td) 曲線を測定する機能も提供します。時間 STM の最近のアプリケーションにシングル キャリア再結合の研究が含まれている (Mn, Fe)/GaAs(110) 構造 GaAs65とドナーのダイナ ミックス。時間 STM のアプリケーションいくつかの制限に直面します。時間 STM 測定信号光パルス励起自由キャリアによって異なります、半導体に最適です。さらに、トンネル電流が、先端に局地的大面積の光パルスによって興奮しているので、信号はローカル プロパティと物質輸送の畳み込み。最後に、接合部のバイアスは、研究挙動に光誘起測定タイム スケールで固定されます。
最近の光学技術、テラヘルツ STM (THz STM)、STM 探針の接合部に焦点を当てたフリー スペース THz パルスをカップルします。異なり、時間 STM で結合パルスのサブピコ秒解像度7と電子的に駆動の励起の調査を可能にする高速な電圧パルスとして動作します。興味深いことに、整流電流による thz 電磁波のパルスから結果アクセスできない極端なピーク電流密度で従来 STM8,9。最近では Si(111)-(7×7)9におけるホット エレクトロンを勉強し、イメージの10単一のペンタセン分子の振動技術が使用されました。THz パルスは、当然のことながら先端にカップル、しかし、STM 実験 THz 光源を統合する必要性が多くの実験者に挑戦する可能性があります。これは、他の広く適用可能で、容易に実装可能な技術の開発を動機します。
2010 年、メノイティウスら11は、ナノ秒電圧パルス DC オフセットの上に電子的に適用がポンプし、プローブ システム11のすべての電子技術を開発しました。この技術の導入は、以前無視された物理学を測定する時間分解 STM の明確かつ実用的なアプリケーションの重要なデモを提供しています。それを先立つ STM を混合接合として早くは無いは STM 探針にマイクロ波パルスを適用することを検討する任意のサンプルを許可します。この手法では、複雑な光学的方法または STM 接合部に光アクセスを必要はありません。低温 STMs に適応する最も簡単な方法になります。これらの技術の最初のデモは、ポンプ パルス11によって励起されたスピン状態の緩和ダイナミクスを測定するスピン偏極 STM を用いてスピンダイナミクスの研究に適用しました。15の状態し、電荷ダイナミクスの離散ミッド ギャップからキャリア捕捉率の調査に拡張されて以来最近まで、応用磁気吸着システム12,13,14に残った限定ですが、シリコン15,16の単一ヒ素ドーパント。後者の研究は、この作品の焦点です。
半導体における単一ドーパントの性質に関する研究最近注目されている重要な相補的金属酸化物半導体 (CMOS) が政権に入る今単一ドーパントがデバイスのプロパティ17 に影響を与えることができるので.さらに、いくつかの研究は、単一ドーパントが将来のデバイスの基本的なコンポーネントとして、たとえば18量子計算と量子メモリ19、量子ビットとして、単一原子トランジスタ20として役立つことができることを実証しています。,15. 将来のデバイスも STM リソグラフィ21原子精度でパターン化することができます債券 (DB) をぶら下がっているシリコンなどの他の原子欠陥を組み込む可能性があります。このために、DBs は電荷量子ビット22, 量子ドット量子セルオート マトンのアーキテクチャ23,24、および原子ワイヤー25,26として提案されているし、を作成するパターン化されています。量子ハミルトニアン ロジック ゲート27と人工分子28,29。今後は、デバイスは、単一ドーパントと DBs の両方を組み込むことができます。DBs は表面欠陥の簡単に STM を用いた特徴し、単一ドーパント デバイスを特徴付けるためにハンドルとして使用することができますので、これは魅力的な戦略です。この戦略の例として DBs は、地表付近のドーパントの充電のダイナミクスを推論する、充電センサーとしてこの作品で使用されます。これらのダイナ ミックスが TR STM は避けてらが開発した技術から適応する方法がすべて電子の使用が記録されます。11
測定は、水素終端処理した Si(100)-(2×1) 表面上の Db を選択で実行されます。約 60 の拡張ドーパント空乏領域30結晶の熱処理によって作成される水面下 nm DB と一括バンドからいくつかの残り表面近くのドーパントを分離します。DBs の STM 観察のコンダクタンスはドーパントの温度・濃度などのグローバル サンプルのパラメーターに依存しているが、個々 の DBs もローカル環境16によって強い変化を表示を発見しました。単一 DB 上 STM 測定、時に電流の流れは DB (Γバルク) に一括と先端 (Γ先端) に DB からの電子でトンネルできます率によって支配される (図 1)。ただし、DB の伝導がローカル環境に敏感であるので近くドーパントの荷電状態の影響Γバルク(図 1 b) を DB のコンダクタンスを監視することによって推定することができます。その結果、DB のコンダクタンス近くドーパントの電荷状態を感知するためとドーパントが、料金一括 (ΓLH) からの電子を供給する使用ことができ、STM 探針、彼らを失う (ΓHL )。これらのダイナ ミックスを解決するには、周りで先端は表面近傍の不純物のイオン化を誘発するしきい値電圧 (V木) TR STS が実行されます。ポンプ ・ プローブのパルスの役割は、ここで紹介 3 時間分解実験的手法で同じです。ポンプ一過性上をもたらしますバイアス レベル下からVthr、ドーパント イオン化を誘導します。これは次のより低いバイアスにプローブのパルスによってサンプリングされた DB のコンダクタンスを増加します。
このペーパーで説明したテクニックで STM を用いたナノ秒タイム スケールにミリ秒単位で発生するダイナミクスを特徴付けるしたい方お越しください。これらの技術は、電荷ダイナミクスを勉強に限定されない、STM (すなわち合衆国の上または表面近く) によって検出できる状態のコンダクタンスの非定常変化を介してダイナミクスが現れていることが重要です。プローブ パルスのデューティ サイクルはシステム ノイズ ・ フロアよりも小さい (通常一時的な状態のコンダクタンスがないと著しく異なる場合平衡状態から過渡平衡電流の違いを掛けたように1 pA)、信号がノイズで失われる、この手法では検出されません。本稿で説明した手法を実行するために必要な市販の STM システムの実験的変更は控えめなので、これらの技術は広くコミュニティにアクセス可能になりますが予想されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
TR STS ポンプ パルスは適用されませんのバリアントは、継続的ではなく高周波でサンプリングされているシステムが従来の STS に匹敵します。プローブ パルスの期間が適切な場合 (>ΓLH)、TR STS 信号なしで従来の STS と正確に一致する実験のデューティ サイクルに比例定数をポンプ光パルスを乗算できますを取得測定。測定は、ロックイン アンプ、低域通過フィルターの使用に?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
専門知識や技術のマーティン クルティエとマーク Salomons に感謝したいと思います。我々 も NRC、レベル、および AITF 金融支援ありがちましょう。
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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