ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים סורקות-בדיקה

Summary

ספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים סורקות-בדיקה מאפשרת חקר תנועת אלקטרון בודד מתחת לפני הקרקע באזורים מקומיים. מעגל אחראי לזיהוי רגיש הוא שולב מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני לחקור מערכות קטנות של אטומים dopant מתחת לפני השטח של דגימות מוליכים למחצה.

Abstract

שילוב של טכניקות סריקת בדיקה טמפרטורה נמוכה וספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים מייצג כלי רב עוצמה כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של קוונטי מערכות קטנות – כולל dopants האטומי הבודדים במוליכים למחצה. כאן אנו מציגים שיטה המבוססת על קיבול, המכונה חיוב צבירה (SCA) הדמיה מתחת לפני קרקע, שהוא מסוגל לפתור טעינה בודדות, תוך השגת אלקטרונים ברזולוציה מרחבית מספיקה כדי dopants האטומי הבודדים תמונה. השימוש בטכניקה מאפשרת תצפית קיבול של תכונות מתחת לפני הקרקע, כגון dopants קבור ננומטרים רבים מתחת לפני השטח של חומר מוליך למחצה ^1,2,3. באופן עקרוני, בטכניקה זו יכולה להיות מיושמת על כל מערכת כדי לפתור את תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח מבודד.

כמו בטכניקות סרוקה-בדיקה חשמלית תחום רגיש אחרות ^4, ברזולוציה מרחבית לרוחב של המדידה תלויה בחלקה ברדיוס של curvaturדואר של הקצה החללית. בעזרת טיפים עם רדיוס קטן של עקמומיות יכולה לאפשר רזולוציה מרחבית של כמה עשרות ננומטרים. רזולוציה המרחבית בסדר זה ​​מאפשרת חקירות של מספרים קטנים (עד אחד) של ^1,2 dopants מתחת לפני הקרקע. הרזולוציה תשלום תלויה במידה רבה ברגישות של מעגלי גילוי המטען; באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT) במעגלים כאלה בקירור מאפשר רגישות של כ 0.01 אלקטרונים / הרץ ^½ ב 0.3 K ^5.

Introduction

צבירת הדמיה חיוב מתחת לפני הקרקע (SCA) היא שיטה בטמפרטורה נמוכה מסוגלות לפתור אירועי טעינה בודדות אלקטרונים. כאשר פנה למחקר של אטומים dopant במוליכים למחצה, השיטה יכולה לזהות אלקטרונים בודדים הנכנסים לאטומים תורמים או acceptor, המתיר אפיון של המבנה הקוונטי של מערכות הזעירות אלה. בלב שלה, SCA הדמיה היא מדידת קיבול מקומית ⁶ מתאימה היטב למבצע קריוגני. בגלל קיבול מבוסס על שדה חשמלי, זה השפעה לטווח ארוך שיכול לפתור טעינה מתחת בידוד משטחים ^6. מבצע קריוגני מאפשר חקירה של ריווח רמה הקוונטית תנועה אחת אלקטרון וזה יהיה בלתי פתיר ^ב1,2 טמפרטורת החדר. הטכניקה יכולה להיות מיושמת על כל מערכת שבה תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח בידוד היא חשובה, ובכלל זה לחייב את הדינמיקה במערכות אלקטרונים דו ממדים בממשקים נקברו ^7; לקיצור, ההתמקדות כאן תהיה על לימודים של dopants מוליכים למחצה.

ברמה סכמטית ביותר, טכניקה זו מטפלת בקצה סרוק כצלחת אחת של קבל לוחות מקבילים, אם כי ניתוח ריאליסטי דורש תיאור מפורט יותר כדי להסביר את העקמומיות של הקצה ^8,9. הצלחת האחרת בדגם הזה היא אזור הננומטרי של שכבת ניהול הבסיסית, כפי שמוצג באיור 1. בעיקרו של דבר, כתשלום נכנס dopant בתגובה למתח עירור תקופתי, זה מתקרב לקצה; תנועה זו גורמת לתמונה יותר אחראית על הקצה, אשר זוהה עם מעגל החיישן ^5. בדומה לכך, כפי שיוצא את החיוב dopant, תשלום על קצה התמונה הוא ירד. לפיכך אות הטעינה התקופתית בתגובה למתח העירור היא האות מזוהות – בעצם זה קיבול, ולכן מדידה זו היא המכונה לעתים קרובות קביעת מאפייני קורות החיים של המערכת.

אוהל "> במהלך מדידת הקיבול, מנהור נטו היחיד הוא בין שכבת הבסיס ושכבת מוליך dopant -. תשלום לעולם מנהרות ישירות על קצה חוסר נהור או מהקצה ישיר במהלך המדידה הוא הבדל חשוב בין זה הטכניקה ומיקרוסקופ מנהור הסורק המוכר יותר, אם כי הרבה יותר של החומרה למערכת זו היא בעצם זהה לזו של מיקרוסקופ מנהור סורק. כמו כן, חשוב לציין כי SCA ההדמיה היא לא ישירות רגישה למטענים סטטיים. לחקירות של מטען סטטי הפצות, מיקרוסקופיית קלווין בדיקה או מיקרוסקופית כוח אלקטרוסטטית מתאימה שיטות קירור נוספות לבחינת התנהגות אלקטרונית מקומית קיימות וגם להם רזולוציה מרחבית טובה ואלקטרונית;. למשל, מיקרוסקופיית אלקטרונים טרנזיסטור יחידה היא שיטה אחר סריקת חללית מסוגלת לאתר דקות טעינה השפעות ^4,10. SCA הדמיה הייתה במקורפותח ב-MIT על ידי Tessmer, Glicofridis, אשורית, ועמיתים לעבודה ⁷ ומעבר לכך, בשיטה המתוארת כאן יכולה להיחשב כגרסת בדיקה סריקה של שיטת ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים שפותחו על ידי אשורית ועמיתים לעבודה ^11. אלמנט מרכזי של המדידה הוא מעגל אחראי לזיהוי רגיש להפליא ^5,12 באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT), הוא יכול להשיג את רמת רעש נמוך ככל 0.01 אלקטרונים / הרץ ^½ ב 0.3 K, טמפרטורת הבסיס של cryostat בהתייחסות 5. כגון רגישות גבוהה מאפשרת תצפית של טעינה בודדת אלקטרונים במערכות מתחת לפני הקרקע. שיטה זו מתאימה למחקר של אלקטרון או חור דינמיקה של קבוצות בודדות או קטנות של dopants במוליכים למחצה, עם צפיפויות אזוריות dopant טיפוסיים על סדר הגודל של 10 ¹⁵ מ ^-2 בגיאומטריה של מישור ^2. דוגמה לתצורת מדגם אופיינית לסוג זה של ניסוי זה מוצגת באיור 1 </strong>. שכבת dopant ממוקמת בדרך כלל כמה עשרות ננומטרים מתחת לפני השטח, זה חשוב לדעת את המרחקים המדויקים בין שכבת ניהול הבסיסית ושכבת dopant ובין שכבת dopant ומדגם השטח. בניגוד לנהור, קיבול לא ליפול באופן אקספוננציאלי אלא בעצם פוחת ביחס הפוך למרחק. לפיכך, עומק dopant יכול בעיקרון להיות אפילו עמוק יותר מעשרות ננומטרים מתחת לפני השטח, כל עוד חלק סביר של אדמות שדה חשמליים שעל הקצה. לכל בדיקות המקומיות הקירור הנ"ל של התנהגות אלקטרונית, כולל את הטכניקה שתוארה כאן, ברזולוציה מרחבית מוגבלת על ידי הגודל הגיאומטרי של הקצה ועל ידי המרחק בין התכונה מתחת לפני הקרקע של ריבית ובדיקת קצה הסריקה.

Protocol

1. פרוטוקול הגדרה ראשונית של מיקרוסקופ ואלקטרוניקה תתחיל עם מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני שמסוגל להריץ עם אלקטרוניקה שליטה כרוכה בכך. המיקרוסקופים המשמשים למחקר המתו?…

Representative Results

המדד הראשי של מדידה מוצלחת הוא שחזור, כמה שיותר בשיטות בדיקה סריקה אחרות. מדידות חוזרות הן חשובים מאוד מסיבה זו. לספקטרוסקופיה קיבול הנקודה, במדידות רבות ברציפות באותו המקום עוזרת להגדיל את יחס אות לרעש ולזהות אותות מזויפים. ברגע…

Discussion

הסבר מפורט של הבסיס התיאורטי לשיטה ניסיונית זו ניתן בהפניות 8 ו -9 ודן ביחס לתרחיש של dopants מתחת לפני הקרקע בעיון 2; הסקירה המובאת כאן על כן תהיה קצרה ורעיונית. הקצה הוא כאל צלחת אחת קבלים, ואת שכבת ניהול שבבסיס המדגם כולל את הצלחת האחרת. אם מתח DC מוחל כאלה שהאלקטרונים נמשכ…

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