Scanning-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

Summary

Scanning-probe single-electron capaciteit spectroscopie vergemakkelijkt de studie van single-elektron beweging in gelokaliseerde ondergrond regio. Een gevoelige charge-detectieschakeling wordt opgenomen in een cryogene scanning probe microscoop kleine systemen doteringsatomen onderzoeken onder de oppervlakte van halfgeleider monsters.

Abstract

De integratie van lage-temperatuur-aftastsondetechnieken en single-elektron spectroscopie capaciteit vormt een krachtig instrument om de elektronische quantum structuur van kleine systemen te bestuderen – inclusief individuele atomaire doteerstoffen in halfgeleiders. Hier presenteren we een condensator-gebaseerde methode, die bekend staat als Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming, die in staat is het oplossen van een-elektron opladen terwijl het bereiken van voldoende ruimtelijke resolutie foto om individuele atomaire doteermiddelen. Het gebruik van een capacitieve techniek maakt waarneming van ondergrondse kenmerken, zoals doteerstoffen begraven veel nanometer onder het oppervlak van een halfgeleidermateriaal ^1,2,3. In principe kan deze techniek worden toegepast op elk systeem elektron beweging onder een isolerend oppervlak lossen.

Zoals in andere elektrisch-veld-gevoelige ingescande probetechnieken ^4, de laterale ruimtelijke resolutie van de meting ten dele afhankelijk van de krommingsstraal vane van de sonde. Gebruik tips met een kleine kromtestraal kan inschakelen ruimtelijke resolutie van enkele tientallen nanometers. Deze fijne ruimtelijke resolutie maakt het mogelijk onderzoeken van kleine aantallen (tot een) van de ondergrond doteermiddelen ^1,2. De lading resolutie sterk afhankelijk van de gevoeligheid van de lading detectieschakeling, met hoge elektronenmobiliteit-transistoren (HEMT) in dergelijke schakelingen bij cryogene temperaturen kan een gevoeligheid van ongeveer 0,01 elektronen / Hz ^½ bij 0,3 K ^5.

Introduction

Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming is een lage-temperatuur-methode kunnen oplossen single-electron opladen evenementen. Toegepast op de studie van doteringsmiddelatomen in halfgeleiders, kan de werkwijze detecteren individuele elektronen invoeren donor of acceptor atomen, waardoor de karakterisering van quantumstructuur van deze kleine systemen. Op haar hart, SCA beeldvorming is een lokale capacitieve meting ⁶ goed geschikt voor cryogene bewerking. Omdat de capaciteit is gebaseerd op elektrisch veld, het is een lange-afstands effect dat kan oplossen opladen onder isolerende oppervlakken ^6. Cryogene bediening maakt onderzoek van single-elektron beweging en kwantumniveau spatiëring dat zou worden onoplosbare bij kamertemperatuur ^1,2. De techniek kan worden toegepast op elk systeem waarin elektronen beweging onder een isolerend oppervlak belangrijk is, evenals het laden dynamiek in tweedimensionale electronsystemen op begraven interfaces ^7, kortheidshalve de focus zal hier liggen op studies van halfgeleider doteermiddelen.

Op het meest schematisch niveau, deze techniek behandelt de gescande tip als een plaat van een parallelle plaat condensator, maar realistische analyse vereist een meer gedetailleerde beschrijving om rekening te houden met de kromming van de punt ^8,9. De andere plaat in dit model is een nanoschaal gebied van de onderliggende geleidende laag, zoals getoond in figuur 1. In wezen, zoals een lading voert een doteerstof in reactie op een periodieke excitatie spanning, het dichter bij de punt, deze beweging veroorzaakt meer ladingsbeeld op de punt, die is gedetecteerd door de sensor circuit ^5. Evenzo, als de lading verlaat de dotering, wordt het beeld lading op het puntje afgenomen. Vandaar het periodiek opladen in responsie op de excitatie spanning het gedetecteerde signaal – in wezen het capacitieve, dus deze meting wordt vaak aangeduid als bepalend voor de CV kenmerken van het systeem.

tent "> Tijdens de capacitieve meting, de enige netto-tunneling is tussen de onderliggende geleidende laag en de dotering laag -. lading nooit tunnels direct op het puntje Het ontbreken van directe tunneling van of naar de punt tijdens de meting is een belangrijk verschil tussen deze techniek en de meer bekende scanning tunneling microscopie, hoewel veel van de hardware voor dit systeem in wezen gelijk aan die van een scanning tunneling microscoop. Het is ook belangrijk op te merken dat SCA beeldvorming niet direct gevoelig zijn voor statische elektriciteit. Voor onderzoeken van statische lading distributies, scanning Kelvin probe microscopie of elektrostatische kracht microscopie is passend Extra cryogene methoden voor de behandeling van lokale elektronische gedrag bestaan ​​die ook goede elektronische en ruimtelijke resolutie;. bijvoorbeeld scanning single-electron transistor microscopie is een andere scanning probe methode voor het opsporen minuten opladen effecten ^4,10. SCA beeldvorming was oorspronkelijkontwikkeld aan het MIT door Tessmer, Glicofridis, Ashoori, en collega's ⁷ en bovendien, kan de hier beschreven methode worden beschouwd als een scanning probe versie van de Single-Electron Capaciteit Spectroscopy methode is ontwikkeld door Ashoori en collega's ^11. Een belangrijk element van de meting is een uiterst gevoelig lading-detectie circuit ^5,12 met behulp van high electron transistoren (HEMT), maar het kan een geluidsniveau zo laag als 0,01 elektronen / Hz bereiken ^½ op 0,3 K, de basistemperatuur van de cryostaat in referentie 5. Een dergelijk hoge gevoeligheid maakt observatie van single-electron opladen in ondergrondse systemen. Deze methode is geschikt voor de studie van elektron of gat dynamica van individuele of kleine groepen toeslagstoffen in halfgeleiders, met typische doteringsmiddel oppervlaktedichtheid in de orde van 10 ¹⁵ m ^-2 in een vlak geometrie ^2. Een voorbeeld van een typisch voorbeeld configuratie voor dergelijke experimenten wordt getoond in Figuur 1 </strong>. De dotering laag wordt meestal geplaatst enkele tientallen nanometers onder de oppervlakte, is het belangrijk om de precieze afstand tussen de onderliggende geleidende laag en het doteringsmiddel laag en tussen de doteerstof laag en het monsteroppervlak kennen. In tegenstelling tot tunneling, doet capaciteit niet vallen exponentieel, maar in plaats daarvan neemt in wezen omgekeerd evenredig met de afstand. Vandaar dat de doteerstof diepte in beginsel zelfs dieper dan tientallen nanometers onder het oppervlak, zolang aantal redelijk deel elektrisch veld landt op de tip. Voor alle bovengenoemde cryogene lokale probes gedrag van de elektronen, zoals de hier beschreven techniek is ruimtelijke resolutie beperkt door de geometrische afmeting van de tip en de afstand tussen de ondergrond kenmerk van belang en de scanning probe uiteinde.

Protocol

1. PROTOCOL Initiële setup van de microscoop en elektronica Begin met een cryogene-staat scanning probe microscoop met bijbehorende besturingselektronica. De microscopen gebruikt voor het onderzoek beschreven hier gebruiken inertie vertaling "om te lopen" het monster naar en weg van de punt langs opritten 13 (gemaakt van een geleidend materiaal zoals koper, messing of roestvrij staal in staat te stellen bias spanning doorgeven aan de monster) als onderdeel van een Besocke ontwer…

Representative Results

De belangrijkste indicator voor een succesvolle meting is reproduceerbaarheid, zoveel als in andere scanning probe methodes. Herhaalde metingen zijn zeer belangrijk om deze reden. Voor punt capacitieve spectroscopie, waarbij vele metingen achter elkaar op dezelfde plaats helpt om de signaal-ruisverhouding te verhogen en identificeren stoorsignalen. Zodra een eigenschap van belang is geïdentificeerd binnen het imago van de lading accumulatie en capaciteit spectroscopie is uitgevoerd, de inte…

Discussion

Een gedetailleerde uitleg van de theoretische basis voor deze experimentele methode gegeven in de referenties 8 en 9 en besproken met betrekking tot het scenario van ondergrondse toeslagstoffen in referentie 2, het overzicht hier gepresenteerde derhalve kort en conceptuele. De tip wordt behandeld als een plaat van een condensator, en de geleidende laag ten grondslag liggen aan het monster bestaat uit de andere plaat. Wanneer de DC spanning zodanig dat elektronen worden getrokken naar de punt, en als er een doteringsatoo…

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