走査プローブ単電子容量分光
Summary
走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。
Abstract
半導体中の個々の原子ドーパントを含む – 低温走査プローブ技術と単電子容量分光法の統合は、小規模なシステムの電子の量子構造を研究するための強力なツールを表します。ここでは、イメージの個別の原子ドーパントに十分な空間分解能を達成しながら単電子帯電を解消することが可能である地下電荷蓄積（SCA）イメージング、として知られている静電容量ベースの方法を提示。静電容量方式の使用は、半導体材料1,2,3の表面の下に多数のナノメートル埋め込 みドーパントとして地下特徴の観察を可能にする。原則的に、この技術は、絶縁表面直下の動きを解決するために、任意のシステムに適用することができる。
他の電界の影響を受けやすいスキャンしたプローブ技法4に示すように、測定の横方向の空間分解能はcurvaturの半径に部分的に依存するプローブ先端の電子。小さな曲率半径でのヒントを使用すると、数十ナノメートルの空間分解能を有効にすることができます。この細かい空間分解能は地下ドーパント1,2の小さな数の調査を（下1）になります。電荷分解能は電荷検出回路の感度に大きく依存し、低温でそのような回路における高電子移動度トランジスタ（HEMT）を使用して0.3 K 5で約0.01エレクトロン/ Hzの半の感度を可能にする。
Introduction
地下電荷蓄積（SCA）イメージングは、単電子チャージングイベントを解決することのできる低温法である。半導体中のドーパント原子の研究に適用された場合、本方法は、これらの微小系の量子井戸構造の特徴付けを可能にして、ドナーまたはアクセプター原子を入力して個々の電子を検出することができる。その中心には、SCAイメージングはローカル容量測定6極低温動作に適しています。静電容量、電界に基づいているので、表面06の下に絶縁帯電解決することができる長距離効果である。低温動作は、単一電子の動きや室温1,2で解決できないだろう量子レベル間隔の調査を可能にします。技術は、埋め込 みインターフェイス7における二次元電子系における充電ダイナミクスを含む、絶縁表面下の電子の運動が重要である任意のシステムに適用することができ、簡潔にするために、ここでの焦点は、半導体ドーパントの研究になります。
現実的な分析は、先端8,9の曲率を考慮して、より詳細な説明を必要とするものの、ほとんどの回路図レベルでは、この技術は、平行平板コンデンサの一方のプレートとして、スキャンしたヒントを扱います。 図1に示すように、このモデルの他のプレートは、下にある導電層のナノスケール領域である。本質的に、電荷が周期的な励起電圧に応答してドーパントに入ると、それは先端に近づくが、この動きは、センサ回路5によって検出されるチップ上に複数の画像電荷を誘導する。同様に、ドーパント充電が終了すると、先端のイメージ電荷は減少する。従って、励起電圧に応答して周期的な充電信号が検出された信号である – 基本的には静電容量であるので、この測定は、しばしば、システムのCV特性を決定することと呼ばれる。
テントは ">静電容量測定時には、唯一のネットトンネリングは、下にある導電層とドーパント層の間にある – 。直接チップ上にチャージ決してトンネル測定中に、または先端からトンネリング直接の欠如は、この重要な違いです。技術とより身近な走査型トンネル顕微鏡、多くのハードウェア、このシステムのためには、走査型トンネル顕微鏡のものと本質的に同一ですが。それはSCAイメージングは静電気に直接小文字が区別されないことに注意することも重要です。静電気の調査のためにディストリビューションは、ケルビンプローブ顕微鏡または静電気力顕微鏡が適切であるにも優れた電子及び空間分解能を有する局所的な電子現象が存在する調べるための追加の極低温法;。例えば、単一電子トランジスタの顕微鏡は、充電分を検出することができる別の走査型プローブ法である効果は4,10。SCAイメージングはもともとテスマー、Glicofridis、Ashoori、および共同研究者7によってMITで開発され、また、ここで説明する方法はAshooriおよび共同研究者11によって開発された単電子静電容量分光法の走査プローブ版として考えることができる。測定の重要な要素は、高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いて精巧に敏感な電荷検出回路5,12であり、それは0.01エレクトロン/ Hz程度の低いノイズレベルを達成することができる半 0.3°K、クライオスタットのベース温度リファレンス5インチこのような高感度、地下システムにおける単電子帯電の観察を可能にします。この方法は、平面幾何学2 10 15メートル-2のオーダーで、典型的なドーパント面密度と、半導体中のドーパントの個人や小グループの電子または正孔ダイナミクスの研究に適しています。実験のこのタイプの典型的なサンプルの構成の一例を図1に示す</strong>。ドーパント層は、典型的には、表面下数十ナノメートルに配置され、その下地導電層との間にドーパント層とドーパント層と試料表面との間の正確な距離を知ることが重要である。トンネリングとは対照的に、静電容量が急激に落下しないが、代わりに本質的距離に反比例して減少する。したがって、ドーパントの深さは、原理的には先端に電界ランドのいくつかの合理的な分数限り、表面下数十ナノメートル、よりさらに深くすることができる。ここに記載された技術を含む電子挙動、前述の低温ローカルプローブのすべてのために、空間分解能は、先端の幾何学的サイズによって、関心のある地下特徴と走査プローブ先端間の距離によって制限されます。Protocol
Representative Results
Discussion
この実験的な方法のための理論的基礎の詳細な説明は参考資料8と9に与えられ、参考2で地下ドーパントのシナリオに関して説明され、ここで紹介する概要は、したがって、簡潔かつ概念的になります。チップは、一コンデンサのプレートと、サンプルが他のプレートを備える基礎となる導電層として扱われる。 DC電圧が印加された場合、そのような電子は、先端に向かって引っ張られ、追加?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ここで説明する研究は量子科学ミシガン州立大学研究所と国立科学財団DMR-0305461、DMR-0906939、及びDMR-0605801によってサポートされていました。 KWは教育GAANN学際バイオエレクトロニクストレーニングプログラムのフェローシップの米国務省の支援を認めるものです。
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 |
Referências
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