-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

Summary

Espectroscopia de capacitância de um único elétron-sonda de digitalização facilita o estudo do movimento de um único elétron em regiões subterrâneas localizadas. Um circuito de detecção de carga sensível é incorporado numa sonda de digitalização criogénico microscópio para investigar pequenos sistemas de átomos dopantes sob a superfície das amostras de semicondutores.

Abstract

A integração de técnicas de varredura por sonda de baixa temperatura e espectroscopia de capacitância de um único elétron representa uma ferramenta poderosa para estudar a estrutura quântica electrónica de pequenos sistemas – incluindo dopantes atômicas individuais em semicondutores. Aqui apresentamos um método baseado em capacitância, conhecido como Subsurface carga Acumulação (SCA) de imagem, que é capaz de resolver a carga de um único elétron ao conseguir a resolução espacial suficiente para imagem dopantes atômicas individuais. A utilização de uma técnica de capacitância permite a observação das características do subsolo, como contaminantes enterrados muitos nanómetros sob a superfície de um material semicondutor ^1,2,3. Em princípio, esta técnica pode ser aplicada a qualquer sistema para resolver o movimento de electrões a seguir uma superfície isolante.

Tal como em outras técnicas de sonda de campo eléctrico digitalizada sensíveis ^4, a resolução espacial lateral da medição depende, em parte, o raio de curvature da ponta da sonda. Utilizando pontas com um pequeno raio de curvatura pode permitir a resolução espacial de umas poucas dezenas de nanómetros. Esta resolução espacial fina permite investigações de números pequenos (até um) de dopantes subsuperfície ^1,2. A resolução da carga depende muito da sensibilidade do circuito de detecção de carga, utilizando transistores de electrões de alta mobilidade (HEMT) em tais circuitos, a temperaturas criogénicas permite uma sensibilidade de cerca de 0,01 Hz / electrões ^½ a 0,3 K ^5.

Introduction

Acumulação de imagem de carga subsuperfície (SCA) é um método de baixa temperatura capaz de resolver os eventos de carga de um único elétron. Quando aplicada ao estudo de átomos dopantes em semicondutores, o método pode detectar electrões individuais entram átomos doadores ou aceitador, o que permite a caracterização da estrutura quântica destes sistemas minutos. Na sua essência, SCA de imagem é um local de medição de capacitância ⁶ adequado para operação criogênica. Porque capacitância é baseado no campo elétrico, é um efeito de longo alcance que pode resolver o carregamento sob isolamento superfícies ^6. Operação criogênica permite a investigação de movimento de um único elétron e espaçamento nível quântico que seria insolúvel à temperatura ambiente ^1,2. A técnica pode ser aplicada a qualquer sistema em que o movimento de electrões a seguir uma superfície de isolamento é importante, incluindo as dinâmicas de carga em sistemas de electrões bidimensionais nas interfaces enterrados ^7, por brevidade, o foco aqui será em estudos de dopantes semicondutores.

No nível mais esquemática, esta técnica trata a ponta digitalizada como uma placa de um condensador de placas paralelas, embora a análise realista requer uma descrição mais detalhada para a conta para a curvatura da ponta ^8,9. A outra placa neste modelo é uma região nanoescala da camada condutora subjacente, conforme mostrado na Figura 1. Essencialmente, tal como uma carga de entrada de um contaminante em resposta a uma tensão de excitação periódica, que fica mais perto da ponta, o que induz o movimento da imagem mais carga na ponta, que é detectada com um circuito de sensor ^5. Da mesma forma, como a carga sai do dopante, a carga na ponta da imagem é reduzida. Assim, o sinal periódico de carga em resposta à tensão de excitação é o sinal detectado – essencialmente é a capacitância, assim esta medição é frequentemente referida como a determinação das características do sistema de CV.

tenda "> Durante a medição de capacitância, o túnel só net é entre a camada condutora subjacente ea camada dopante -. taxa nunca túneis diretamente na ponta A falta de tunelamento ou da ponta direta durante a medição é uma importante diferença entre esta técnica e da microscopia de tunelamento mais familiar, embora a maior parte do hardware para este sistema é essencialmente idêntico ao de um microscópio de varredura por tunelamento. Também é importante notar que a SCA de imagem não é diretamente sensível a cargas estáticas. Para investigações de carga estática distribuições, Kelvin sonda de microscopia ou microscopia de força eletrostática digitalização é apropriado métodos criogênicos adicionais para examinar o comportamento eletrônico locais existem que também têm boa resolução eletrônica e espacial;., por exemplo, microscopia transistor único eletrônica de varredura é um outro método de varredura por sonda capaz de detectar minutos de carga efeitos ^4,10. SCA imagem foi originalmentedesenvolvido no MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, e co-trabalhadores ^7, além disso, o método descrito aqui pode ser considerado como uma versão do método de espectroscopia de capacitância Single-Electron desenvolvido por Ashoori e colaboradores ¹¹ sonda de varredura. Um elemento-chave da medição é um circuito de detecção de carga extremamente sensível ^5,12 usando transistores de elétrons de alta mobilidade (HEMT), que pode atingir um nível de ruído tão baixo quanto 0,01 elétrons / Hz ^½ de 0,3 K, a temperatura da base do criostato em 5 de Referência. Essa alta sensibilidade permite a observação de carga de um único elétron em sistemas subsuperficiais. Este método é adequado para o estudo da dinâmica de elétrons ou de buracos individuais ou pequenos grupos de dopantes em semicondutores, com densidades de área dopantes típicos da ordem de 10 ¹⁵ m ^-2 em uma geometria plana ^2. Um exemplo de uma configuração de exemplo típico para este tipo de experiência é apresentado na Figura 1 </strong>. A camada de contaminante é geralmente posicionada de algumas dezenas de nanómetros abaixo da superfície, é importante conhecer as distâncias exactas entre a camada condutora subjacente e a camada de contaminante, e entre a camada de contaminante e a superfície da amostra. Em contraste com a construção de túneis, capacitância não cair exponencialmente, mas sim essencialmente diminui na proporção inversa da distância. Assim, a profundidade de contaminante pode, em princípio, ser ainda mais profundo do que dezenas de nanómetros de baixo da superfície, enquanto alguns fracção razoável de terras de campo eléctrico na ponta. Para todos os testes acima referidos locais criogénicos de comportamento electrónico, incluindo a técnica aqui descrita, a resolução espacial é limitado pelo tamanho geométrico da ponta e pela distância entre a característica de interesse do subsolo e a ponta da sonda de varredura.

Protocol

1. PROTOCOLO A configuração inicial do microscópio e eletrônica Comece com uma criogênico com capacidade de microscópio de varredura por sonda com sistema eletrônico de controle associados. Os microscópios usados ​​para a pesquisa aqui descritos utilizam tradução inercial para "caminhar" a amostra em direcção e para longe da ponta ao longo de rampas 13 (feitos de um material condutor tal como cobre, latão, aço inoxidável ou, para permitir que eles transmitem pa…

Representative Results

O principal indicador de uma medida de sucesso é a reprodutibilidade, bem como em outros métodos de varredura por sonda. Medições repetidas são muito importantes por essa razão. Por espectroscopia de capacitância ponto, tendo muitas medições em sucessão no mesmo local ajuda a aumentar a relação sinal-ruído e identificar sinais espúrios. Uma vez que uma característica de interesse tiver sido identificado dentro da imagem de acumulação de carga e espectroscopia de capacitânci…

Discussion

Uma explicação detalhada da base teórica para este método experimental é dada em referências 8 e 9 e discutido com relação ao cenário de dopantes subsuperfície na Referência 2, a visão aqui apresentada, portanto, ser breve e conceitual. A ponta é tratado como um prato de um condensador, e da camada condutora subjacente da amostra compreende a outra placa. Se a tensão contínua é aplicada de tal modo que os electrões são puxados na direcção da ponta, e se existe um átomo de contaminante situado entre …

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