Scanning-sonde Single-elektron Capacitance spektroskopi

Summary

Scanning-sonde enkelt elektron kapacitans spektroskopi letter undersøgelsen af ​​single-elektron bevægelse i lokaliserede underjordiske regioner. En følsom charge-afsløring kredsløb er inkorporeret i en kryogen scanning probe mikroskop at undersøge små systemer doteringsstofatomer under overfladen af ​​halvleder prøver.

Abstract

Integrationen af ​​lavtemperatur scanning-probe teknikker og single-elektron kapacitans spektroskopi er et effektivt redskab til at studere den elektroniske kvante struktur små systemer – herunder de enkelte atomare doteringsstoffer i halvledere. Her præsenterer vi en kapacitans-baserede metode, kendt som Subsurface Charge Ophobning (SCA) billeddannelse, der er i stand til at løse en enkelt elektron opladning samtidig opfylde tilstrækkelig rumlig opløsning til billede enkelte atomare dopants. Anvendelsen af en kapacitans teknik muliggør observation af underjordiske funktioner, såsom dopingmidler begravet mange nanometer under overfladen af et halvledermateriale ^1,2,3. I princippet kan denne teknik anvendes til ethvert system til at løse elektron bevægelse under en isolerende overflade.

Som i andre elektrisk felt-sensitive scannet-probe teknikker, ^4, afhænger den laterale rumlige opløsning af målingen delvis på radius curvature af sonden spids. Brug tips med en lille krumningsradius kan aktivere rumlig opløsning på et par snese nanometer. Denne fine rumlige opløsning gør det muligt for undersøgelser af små tal (ned til én) af undergrunden dopants ^1,2. Afgiften resolution afhænger i høj grad af følsomheden af den afgift detekteringskredsløb, ved hjælp af høj elektron mobilitet transistorer (HEMT) i sådanne kredsløb ved kryogene temperaturer muliggør en følsomhed på ca 0,01 elektroner / Hz ^½ ved 0,3 K ^5.

Introduction

Undergrunden Charge Ophobning (SCA) billeddannelse er en lav temperatur metode kan løse single-elektron opladning begivenheder. Når de anvendes til studiet af doteringsstofatomer i halvledere, kan metoden detektere enkelte elektroner ind donor eller acceptor atomer, tillader karakterisering af kvante struktur af disse minutter systemer. På sit hjerte, er SCA billeddannelse en lokal kapacitetsmåling ⁶ velegnet til kryogen drift. Fordi kapacitans er baseret på elektrisk felt, er det en langtrækkende effekt, der kan løse opladning under isolerende overflader ^6.. Kryogen drift tillader undersøgelse af enkelt-elektron bevægelse og kvanteniveau afstand, der ville blive uløselig ved stuetemperatur ^1,2. Teknikken kan anvendes på ethvert system, hvor elektron bevægelse under en isolerende overflade er vigtig, herunder opladning dynamik i todimensionale elektron systemer på nedgravede grænseflader ^7, for kortheds skyld, fokus her vil være på studier af halvleder dopants.

På det mest skematiske plan, behandler denne teknik scannede spids som en plade af en parallel-plade kondensator, selvom realistisk analyse kræver en mere detaljeret beskrivelse at tage højde for krumningen af spidsen ^8,9. Den anden plade i denne model er en nanoskala region af det underliggende ledende lag, som vist i figur 1.. Væsentlige, som en afgift ind i et doteringsmiddel som svar på en periodisk excitation spænding, det kommer tættere på spidsen, denne bevægelse inducerer flere billede afgift på spidsen, som er opdaget med sensorkredsløbet ^5.. Ligeledes da gebyret forlader Doterstof, er billedet afgift på spidsen faldet. Derfor periodisk opladning signal som reaktion på den ekscitationsspænding er det detekterede signal – det hovedsageligt er kapacitans, således denne måling omtales ofte som afgørende CV systemets egenskaber.

telt "> Under kapacitans måling er den eneste netto tunneling mellem den underliggende ledende lag og doterstof lag -. charge aldrig tunneler direkte på spidsen Den manglende direkte tunneling til eller fra spidsen under målingen er en vigtig forskel mellem denne teknik og den mere velkendte scanning tunneling mikroskopi, selv om meget af hardwaren for dette system er væsentligt identisk med en scanning tunneling mikroskop. Det er også vigtigt at bemærke, at SCA imaging ikke direkte følsomt over for statisk elektricitet. Ved undersøgelser af statisk elektricitet distributioner, scanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk force mikroskopi er hensigtsmæssig Ekstra kryogene metoder til at undersøge lokale elektroniske adfærd eksisterer som også har gode elektroniske og rumlige opløsning. for eksempel, er scanning enkelt elektron transistor mikroskopi anden scanning probe metoden kan påvise minut opladning effekter ^4,10. SCA imaging var oprindeligudviklet på MIT med Tessmer, Glicofridis, Ashoori og kollegaer ^7, og desuden kan den her beskrevne fremgangsmåde betragtes som en scanning probe version af Single-Electron Kapacitet spektroskopi metode udviklet af Ashoori og medarbejdere ^11.. Et centralt element i målingen er en yderst sensitiv charge-detekteringskredsløb ^5,12 ved hjælp af høj elektron mobilitet transistorer (HEMT), og det kan opnå et støjniveau så lavt som 0,01 elektroner / Hz ^½ ved 0,3 K, base temperatur kryostaterne i Henvisning 5.. Sådan en høj følsomhed muliggør observation af single-elektron opladning i undergrunden-systemer. Denne metode er velegnet til studiet af elektron eller hul dynamik individuelle eller små grupper af dopingmidler i halvledere med typiske doterende arealundersøgelses tætheder i størrelsesordenen 10 ¹⁵ m ^-2 i et plan geometri ^2.. Et eksempel på en typisk prøve konfiguration for denne type af forsøg er vist i figur 1 </strong>. Den doterende lag er typisk placeret et par snese nanometer under overfladen, er det vigtigt at kende de præcise afstande mellem den underliggende ledende lag og den doterende lag og mellem den doterende lag og prøvens overflade. I modsætning til tunnelering, ikke kapacitans ikke falde eksponentielt, men i stedet det væsentlige falder omvendt proportionalt med afstanden. Derfor kan den doterende dybde i princippet være endnu dybere end ti nanometer under overfladen, så længe nogle rimelig brøkdel af elektrisk felt lander på spidsen. For alle de ovennævnte kryogene lokale prober elektronisk adfærd, herunder teknikken beskrevet her, er rumlig opløsning er begrænset af den geometriske størrelse af spidsen og af afstanden mellem undergrunden træk af interesse og scanning probe spids.

Protocol

1.. PROTOKOL Indledende opsætning af mikroskop og elektronik Begynd med en kryogen-stand scanning probe mikroskop med tilhørende styreelektronik. Mikroskoper anvendes til forskning beskrevet her bruge inerti oversættelse til "walk" prøven mod og bort fra spidsen langs ramperne 13 (fremstillet af et ledende materiale, såsom kobber, messing eller rustfrit stål for at sætte dem i stand til at transmittere bias spænding til prøve) som del af et Besocke design STM 14,</s…

Representative Results

Den ledende indikator for en vellykket måling er reproducerbarhed meget som i andre scanning probe metoder. Gentagne målinger er meget vigtigt af denne grund. For punkt kapacitans spektroskopi, hjælper tage mange målinger i træk på samme sted for at øge signal-støj-forhold og identificere falske signaler. Når en funktion af interesse er blevet identificeret i afgift ophobning image og kapacitans spektroskopi er foretaget, fortolkning af CV data begynder ved at bestemme spændingen v…

Discussion

En detaljeret forklaring af det teoretiske grundlag for denne eksperimentelle metode er givet i Referencer 8 og 9 og diskuteret i forbindelse med scenariet for underjordiske dopingmidler i Reference 2, oversigten præsenteres her vil derfor være korte og konceptuelle. Spidsen behandles som en plade af en kondensator, og det ledende lag bag prøven omfatter den anden plade. Hvis DC spændingen anvendes således, at elektronerne trækkes mod spidsen, og hvis der er en doterende atom beliggende mellem det underliggende le…

Materials

			Equipment
Besocke-design STM	Custom		References 14 and 15
Control electronics for STM	RHK Technology	SPM 1000 Revision 7
Lock-in amplifier	Stanford Research Systems	SR830
Curve tracer	Tektronix	Type 576
Oscilloscope	Tektronix	TDS360
Multimeter	Tektronix	DMM912
Wire bonder	WEST·BOND	7476D	with K~1200D temperature controller
Soldering iron	MPJA	301-A
Cryostat	Oxford Instruments	Heliox
			Material
Pt/Ir wire, 80:20	nanoScience Instruments	201100
GaAs wafer	axt	S-I	For the mounting chip
99.99% Au wire, 2 mil diameter	SPM		For the mounting chip
99.99% Au wire, 1 mil diameter	K&S		For wire bonding
Indium shot	Alfa Aesar	11026
Silver epoxy	Epo-Tek	EJ2189-LV	Any low-temperature-compatible conductive epoxy is acceptable
HEMT	Fujitsu	Low Noise HEMT