Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

Summary

Spettroscopia capacitanza singolo elettrone-scanning probe facilita lo studio del moto a singolo elettrone in regioni localizzate sottosuolo. Un circuito di carica-rivelazione sensibile è integrato in una sonda criogenica scansione microscopio per indagare piccoli sistemi di atomi di drogante sotto la superficie dei campioni semiconduttori.

Abstract

L'integrazione di bassa temperatura tecniche di scansione-sonda e spettroscopia di capacità a singolo elettrone rappresenta un potente strumento per studiare la struttura elettronica quantistica dei sistemi di piccole dimensioni – tra cui singole droganti atomiche nei semiconduttori. Qui vi presentiamo un metodo capacità-based, nota come Subsurface carica Accumulo (SCA), l'imaging, che è in grado di risolvere la ricarica a singolo elettrone, ottenendo sufficiente risoluzione spaziale di immagini singole droganti atomiche. L'uso di una tecnica di capacitanza permette l'osservazione di caratteristiche sottosuolo, come droganti sepolti molti nanometri sotto la superficie di un materiale semiconduttore ^1,2,3. In linea di principio, questa tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema per risolvere movimento dell'elettrone sotto una superficie isolante.

Come in altre tecniche scansionata-sonda di campo elettrico sensibili ^4, la risoluzione spaziale laterale della misura dipende in parte dal raggio curvature della punta della sonda. Utilizzando punte con un piccolo raggio di curvatura può abilitare la risoluzione spaziale di poche decine di nanometri. Questa risoluzione spaziale fine permette indagini di piccoli numeri (fino a uno) di droganti sottosuolo ^1,2. La risoluzione di carica dipende molto dalla sensibilità del circuito di rivelazione di carica; utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT) in tali circuiti a temperature criogeniche permette una sensibilità di circa 0.01 elettroni / Hz ^½ a 0.3 K ^5.

Introduction

Subsurface carica accumulo di imaging (SCA) è un metodo a bassa temperatura in grado di risolvere gli eventi di ricarica a singolo elettrone. Quando applicata allo studio di atomi droganti nei semiconduttori, il metodo può rilevare singoli elettroni entrano donatore o accettore atomi, permettendo caratterizzazione della struttura quantistica di questi sistemi minuti. Nel suo cuore, SCA imaging è una misura di capacità locale ⁶ particolarmente adatto per il funzionamento criogenico. Poiché la capacità è basata sul campo elettrico, è un effetto a lungo raggio che può risolvere ricarica sotto superfici isolanti ^6. Funzionamento criogenico permette indagini di movimento a singolo elettrone e il livello di spaziatura quantistico che sarebbe irrisolvibile a temperatura ambiente ^1,2. La tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema in cui il movimento di elettroni sotto una superficie isolante è importante, comprese le dinamiche di carica in sistemi di elettroni bidimensionali alle interfacce sepolte ^7, per brevità, qui l'attenzione sarà su studi di droganti semiconduttori.

Al livello più schematico, questa tecnica tratta il puntale digitalizzata come una piastra di un condensatore piano, anche se realistica analisi richiede una descrizione più dettagliata per tenere conto della curvatura della punta ^8,9. L'altra armatura in questo modello è una regione nanoscala dello strato conduttore sottostante, come mostrato in Figura 1. Essenzialmente, come una carica entra in un drogante in risposta a una tensione di eccitazione periodica, si avvicina alla punta, e questo movimento induce più carica immagine sulla punta, che viene rilevata con il circuito sensore ^5. Similmente, come la carica esce dal droganti, la carica immagine sulla punta diminuisce. Quindi il segnale periodico di carica in risposta alla tensione di eccitazione è il segnale rilevato – essenzialmente è capacitanza; quindi questa misura viene spesso indicato come determinare le caratteristiche CV del sistema.

tenda "> Durante la misura di capacità, l'unica rete di tunnel si trova tra lo strato conduttivo di fondo e lo strato di drogante -. charge mai tunnel direttamente sulla punta La mancanza di diretta tunneling da o verso la punta durante la misurazione è una differenza importante tra questo tecnica e il più familiare microscopia ad effetto tunnel, anche se gran parte dell'hardware per questo sistema è essenzialmente identica a quella di un microscopio a scansione tunnel. E 'anche importante notare che SCA imaging non è direttamente sensibile alle cariche elettrostatiche. Per ricerche di carica statica distribuzioni, la scansione Kelvin Probe Microscopy o microscopia a forza elettrostatica è appropriato Ulteriori metodi criogenici per l'esame di comportamento elettronico locale esiste che hanno anche una buona risoluzione elettronica e spaziale,., ad esempio, la scansione di transistor a singolo elettrone è un altro metodo di microscopia a scansione di sonda in grado di rilevare minuti di ricarica Effetti ^4,10. SCA di imaging è stato originariamentesviluppato al MIT da Tessmer, Glicofridis, Ashoori e collaboratori ^7, inoltre, il metodo descritto qui può essere considerato come una versione a scansione di sonda del metodo Spettroscopia Capacità singolo elettrone sviluppato da Ashoori e collaboratori ^11. Un elemento chiave della misura è un circuito di carica di rilevamento estremamente sensibile ^5,12 utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT), ma può raggiungere un livello di rumore a partire da 0.01 elettroni / Hz ^½ a 0,3 K, la temperatura di base del criostato in riferimento 5. Tale elevata sensibilità consente l'osservazione di ricarica a singolo elettrone in sistemi sottosuolo. Questo metodo è adatto per lo studio di elettroni o buco dinamiche individuali o piccoli gruppi di droganti nei semiconduttori, con le tipiche densità areali droganti dell'ordine di 10 ^{15 m-2} in una geometria piana ^2. Un esempio di una configurazione di esempio tipico per questo tipo di esperimento è mostrato in Figura 1 </strong>. Lo strato drogante è tipicamente posizionata a poche decine di nanometri sotto la superficie, è importante conoscere le distanze precise tra lo strato conduttivo e lo strato sottostante drogante e tra lo strato drogante e la superficie del campione. In contrasto tunneling, capacitanza non cade esponenzialmente ma invece decresce sostanzialmente in proporzione inversa alla distanza. Quindi, la profondità drogante potrebbe in teoria essere ancora più profondo di decine di nanometri sotto la superficie, fino a quando alcuni ragionevole frazione di terre campo elettrico sulla punta. Per tutti i suddetti criogenici sonde locali di comportamento elettronico, compresa la tecnica descritta qui, risoluzione spaziale è limitata dalla dimensione geometrica della punta e dalla distanza tra la caratteristica sottosuolo di interesse e la punta della sonda di scansione.

Protocol

1. PROTOCOLLO Configurazione iniziale del microscopio ed elettronica Iniziare con un criogenico-grado microscopio a scansione elettronica con sonda di controllo associati. I microscopi utilizzati per la ricerca descritta qui usa la traduzione inerziale a "camminare" il campione verso e lontano dalla punta lungo rampe 13 (fatto da un materiale conduttore come rame, ottone o acciaio inox per consentire loro di trasmettere tensione di polarizzazione al campione) come parte di un dis…

Representative Results

L'indicatore principale di una misura di successo è la riproducibilità, tanto come in altri metodi a scansione di sonda. Misurazioni ripetute sono molto importanti per questo motivo. Per spettroscopia capacitanza punto, prendendo molti misurazioni in successione nella stessa posizione contribuisce ad aumentare il rapporto segnale-rumore e identificare segnali spuri. Una volta che una caratteristica di interesse è stato identificato all'interno dell'immagine accumulo di carica …

Discussion

Una spiegazione dettagliata della base teorica per questo metodo sperimentale è dato in Riferimenti 8 e 9 e discusso rispetto allo scenario di droganti nel sottosuolo di riferimento 2; la panoramica qui presentata sarà pertanto essere breve e concettuale. La punta è trattato come una piastra di un condensatore, e lo strato conduttore sottostante il campione comprende l'altra piastra. Se viene applicata tensione DC in modo elettroni sono tirati verso la punta, e se vi è un atomo di drogante situata tra il sottost…

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