Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии
Summary
Сканирующего зонда одноэлектронными емкостной спектроскопии облегчает изучение одного движения электронов в локализованных подземных регионах. Чувствительный заряда схема обнаружения включена в криогенных сканирующий зондовый микроскоп для исследования небольших системах атомов легирующей примеси под поверхностью полупроводникового образцов.
Abstract
Интеграция низкотемпературной техники сканирующего зонда и одноэлектронного емкостной спектроскопии представляет собой мощное средство для изучения электронной структуры квантовых малых систем – в том числе отдельных атомных примесей в полупроводниках. Здесь представлены емкость на основе метода, известного как подземных накопления заряда (SCA) изображений, которые способны решить одноэлектронной зарядки при достижении достаточной пространственное разрешение на изображение отдельных атомных примесей. Использование емкости метод позволяет наблюдать подземных функций, таких как легирующие примеси похоронены многие нанометров под поверхностью полупроводникового материала 1,2,3. В принципе, этот метод может быть применен к любой системе для разрешения движения электронов ниже изолирующей поверхности.
Как и в других электрических полей чувствительных отсканированного-зонд методы 4, боковые пространственное разрешение измерения зависит частично от радиуса curvaturе зонда. Используя подсказки с малым радиусом кривизны может включить пространственным разрешением в несколько десятков нанометров. Это прекрасное пространственное разрешение позволяет исследования малых чисел (вплоть до одного) подземных 1,2 примесей. Разрешение Зарядка во многом зависит от чувствительности схемы обнаружения заряда; использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT) в таких цепях при криогенных температурах позволяет чувствительность около 0,01 электрон / Гц ½ при 0,3 K 5.
Introduction
Подземные накопления заряда (SCA) изображений является низкотемпературный способ способны решить одноэлектронной зарядки событий. При нанесении на изучение атомов легирующей примеси в полупроводниках, метод может обнаружить отдельные электронов, входящих донорных или акцепторных атомов, что позволяет характеристику квантовой структуры этих систем минуту. По сути, SCA изображений является локальное измерение емкости 6 хорошо подходит для криогенного операции. Поскольку емкости основано на электрическом поле, это эффект дальнодействия, которые могут разрешить зарядку под изолирующие поверхности 6. Криогенные операция позволяет исследовать одного движения электрона и квантовой расстояние между уровнями, которые были бы неразрешимы при комнатной температуре 1,2. Этот метод может быть применен к любой системе, в которой движение электронов ниже изолирующей поверхности имеет важное значение, в том числе зарядки динамика в двумерных электронных системах при похоронен интерфейсы 7; для краткости акцент здесь будет сделан на исследованиях полупроводниковых примесей.
На самом схематическом уровне, этот метод обрабатывает отсканированные наконечник как одна пластина плоского конденсатора, хотя реалистичный анализ требует более подробного описания для учета кривизны вершины 8,9. Другой пластины в этой модели наноразмерных область основной проводящий слой, как показано на рисунке 1. По существу, как заряд поступает легирующей примеси в ответ на периодические напряжения возбуждения, становится ближе к кончику; это движение вызывает больше изображение заряда на наконечник, который обнаруживается с помощью датчика схеме 5. Кроме того, как заряд выходит легирующей примеси, изображение заряда на кончике уменьшается. Таким образом, периодический сигнал зарядки в ответ на напряжение возбуждения является обнаруженный сигнал – по существу это емкость, таким образом, это измерение часто упоминается как определение CV характеристик системы.
палатка "> Во время измерения емкости, только чистая туннелирование между основными проводящим слоем и слоем легирующей примеси -. заряда никогда туннелей прямо на кончике отсутствие прямого туннелирования или от кончика во время измерения важное различие между этим техники и более знакомые сканирующей туннельной микроскопии, хотя большая часть аппаратных средств для этой системы является по существу идентичной помощью сканирующего туннельного микроскопа. Важно также отметить, что SCA изображений непосредственно не чувствительны к статического электричества. Для исследования статического заряда распределений, сканирование Метод Зонда Кельвина или электростатическими силовой микроскопии является соответствующее дополнительное криогенных методы изучения местных электронных поведения существуют, которые также имеют хорошие электронного и пространственного разрешения;. Например, проверка одноэлектронного транзистора микроскопии другой сканирующий зондовый метод, способный обнаруживать минуты зарядки 4,10 эффектов. SCA изображений изначальноразработана в Массачусетском технологическом институте по Tessmer, Glicofridis, Ashoori, и сотрудники 7, кроме того, метод, описанный здесь можно рассматривать как сканирующий зондовый версия одноэлектронными емкостной спектроскопии метод, разработанный Ashoori и сотрудников 11. Одним из ключевых элементов измерения чрезвычайно чувствительны заряда схема обнаружения 5,12 использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT), он может достичь уровня шума по цене от 0,01 электрон / Гц ½ на 0,3 К, база температуры криостата в ссылке 5. Такая высокая чувствительность позволяет наблюдение одноэлектронных зарядки в подземных системах. Этот способ подходит для изучения электронной или дырочной динамики отдельных или небольшими группами легирующих примесей в полупроводниках, с типичным легирующей плотности записи порядка 10 15 м -2 в плоской геометрии 2. Пример типичной конфигурации образца для этого типа эксперимента показаны на рисунке 1 </strong>. Сло присадки, как правило, расположены в несколько десятков нанометров под поверхностью, важно знать точное расстояние между основной проводящий слой и слой легирующей примеси, а также между сло присадки и поверхностью образца. В отличие от туннельного, емкости не падает экспоненциально, но вместо этого существенно уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, примеси глубины в принципе может быть еще глубже, чем десятков нанометров под поверхностью тех пор, пока некоторые разумные часть электрического поля земли на конце. Для всех вышеупомянутых криогенной местного зондов электронных поведения, включая способ, описанный здесь, пространственное разрешение ограничивается геометрический размер наконечника и расстоянием между подземным особенностью интерес и сканирование зонда.Protocol
Representative Results
Discussion
Подробное объяснение теоретической основой для этого экспериментального метода приведен в Литература 8 и 9 и обсуждали по отношению к сценарию подземных примесей в ссылке 2, обзор, представленные здесь, быть кратким и концептуальные. Кончик рассматривается как одна пластина конденсат?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование обсуждаемых здесь была поддержана Университета штата Мичиган Института квантовой наук и Национального научного фонда DMR-0305461, DMR-0906939 и DMR-0605801. KW благодарит за поддержку Министерство образования США GAANN Междисциплинарный подготовки стипендиатов программы Биоэлектроника.
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 |
References
- Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon. Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).
- Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules. Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules. Physica B. 403, 3774-3780 (2008).
- Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges. Science. 276, 579-582 (1997).
- Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).
- Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale. Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).
- Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid. Nature. 392, 51-54 (1998).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes. Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).
- Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape. Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).
- Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).
- Ashoori, R. C. Electrons in artificial atoms. Nature. 379, 413-419 (1996).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box. Physica B. 189, 117-124 (1993).
- Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope. Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).
- Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).
- Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. High-scan-range cryogenic scanning probe microscope. Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels. Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).
