Summary
المسح مسبار-إلكترون واحد الطيفي السعة يسهل دراسة حركة الإلكترون واحد في مناطق تحت سطح الأرض المترجمة. أدرج حساسة تهمة الكشف عن الدوائر المبردة في المسح المجهر التحقيق للتحقيق في نظم صغيرة من الذرات إشابة تحت سطح عينات أشباه الموصلات.
Abstract
دمج درجات الحرارة المنخفضة تقنيات المسح الضوئي مسبار وإلكترون واحد الطيفي السعة يمثل أداة قوية لدراسة بنية الكم إلكترونية من نظم صغيرة - بما في ذلك dopants الذرية الفردية في أشباه الموصلات. ونحن هنا نقدم وسيلة المستندة إلى السعة، والمعروفة باسم تراكم تهمة تحت السطحية (SCA) التصوير، والتي هي قادرة على حل الشحن لإلكترون واحد مع تحقيق القرار المكانية كافية لصورة dopants الذرية الفردية. استخدام تقنية مراقبة السعة تمكن من الميزات تحت سطح الأرض، مثل dopants دفن العديد من نانومتر تحت السطح من المواد أشباه الموصلات 1،2،3. من حيث المبدأ، يمكن تطبيق هذه التقنية إلى أي نظام لحل حركة الإلكترون أدناه سطح العازلة.
كما هو الحال في تقنيات الممسوحة ضوئيا مسبار الميدان حساسة الكهربائية الأخرى 4، والقرار المكانية الجانبي للقياس يعتمد في جزء منه على نصف قطر curvatur(ه) من تلميح التحقيق. ويمكن استخدام النصائح مع دائرة نصف قطرها صغير من انحناء تمكين القرار المكانية من بضع عشرات من نانومتر. هذا القرار المكانية غرامة يسمح التحقيقات أعداد صغيرة (وصولا الى واحد) من dopants تحت سطح الأرض 1،2. القرار تهمة يعتمد إلى حد كبير على حساسية الدوائر الكشف تهمة، واستخدام ارتفاع الترانزستورات التنقل الإلكترون (HEMT) في مثل هذه الدوائر في درجات الحرارة المبردة تمكن حساسية حوالي 0.01 الإلكترونات / هرتز ½ عند 0.3 K 5.
Introduction
تراكم تهمة تحت السطحية (SCA) التصوير هو أسلوب درجات الحرارة المنخفضة قادرة على حل الأحداث شحن الإلكترون واحد. عندما يطبق لدراسة الذرات إشابة في أشباه الموصلات، ويمكن للطريقة الكشف عن الإلكترونات الفردية دخول ذرات المانحة أو متقبل، والسماح توصيف هيكل الكم من هذه الأنظمة الدقيقة. في قلبها، SCA التصوير هو قياس السعة المحلية 6 مناسبة تماما لتشغيل المبردة. لأنه يعتمد على السعة الحقل الكهربائي، بل هو تأثير بعيد المدى التي يمكن حل شحن تحت العازلة الأسطح 6. عملية المبردة يسمح التحقيق من حركة الإلكترون واحد وتباعد المستوى الكوانتي التي من شأنها أن تكون غير القابلة للحل في درجة حرارة الغرفة 1،2. ويمكن تطبيق هذه التقنية في أي نظام في أي حركة الإلكترون أدناه سطح العزل هو المهم، بما في ذلك ديناميات الشحن في نظم الإلكترون ثنائية الأبعاد في واجهات دفن 7؛ للإيجاز، سيتم التركيز هنا يكون على الدراسات من dopants أشباه الموصلات.
على المستوى الأكثر التخطيطي، وهذا الأسلوب يعامل الطرف الممسوحة ضوئيا ولوح واحد من موازية لوحة مكثف، على الرغم من تحليل واقعي يتطلب وصفا أكثر تفصيلا لحساب انحناء من طرف 8،9. لوحة أخرى في هذا النموذج هي منطقة النانومترية الحجم من طبقة إجراء الكامنة، كما هو مبين في الشكل 1. أساسا، كما يدخل تهمة لإشابة ردا على إثارة الجهد الدوري، فإنه يحصل أقرب إلى طرف؛ هذه الحركة يدفع أكثر تهمة الصورة على الحافة، التي تم الكشف عنها مع أجهزة الاستشعار الدائرة 5. وبالمثل، كما يخرج من تهمة إشابة، وانخفضت هذه التهمة الصورة على طرف. ومن هنا جاءت إشارة شحن الدوري ردا على إثارة الجهد هو إشارة الكشف - أساسا هو السعة، وبالتالي غالبا ما يشار إلى هذا القياس عن تحديد خصائص السيرة الذاتية للنظام.
خيمة "> وخلال قياس السعة، فإن صافي فقط النفقي هو بين الطبقة الموصلة الكامنة وطبقة إشابة -. تهمة أبدا الأنفاق مباشرة على إبعاد عدم وجود نفق مباشرة إلى أو من طرف أثناء عملية القياس هو الفرق المهم بين هذه تقنية وأكثر دراية المجهر النفقي الماسح، على الرغم من أن الكثير من الأجهزة لهذا النظام هو أساسا مطابقة لتلك التي من مجهر المسح النفقي. ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن هيئة السلع التموينية التصوير ليست حساسة مباشرة إلى رسوم ثابتة. للتحقيق في تهمة ثابتة التوزيعات، مستشعر كالفن الماسح المجهري أو كهرباء المجهري القوة المناسبة طرق المبردة إضافية لدراسة السلوك الالكترونية المحلية والتي لها وجود أيضا إلى قرار الإلكترونية والمكانية جيدة، على سبيل المثال، المسح المجهري إلكترون واحد الترانزستور هو طريقة تحقيق اخر المسح الضوئي قادرة على اكتشاف دقائق شحن الآثار (4،10). SCA التصوير كان في الأصلوضعت من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في Tessmer، Glicofridis، Ashoori، وزملاء العمل (7)؛ وعلاوة على ذلك، يمكن اعتبار الطريقة الموضحة هنا كإصدار مسبار المسح الضوئي من واحد الكترون طريقة التحليل الطيفي السعة التي وضعتها Ashoori وزملاء العمل 11. وثمة عنصر رئيسي من القياس هو حساسة بشكل رائع تهمة الكشف عن الدائرة 5،12 باستخدام عالية الترانزستورات التنقل الإلكترون (HEMT)، بل يمكن تحقيق مستوى الضوضاء منخفضة تصل إلى 0.01 الإلكترونات / هرتز ½ عند 0.3 K، ودرجة الحرارة قاعدة ناظم البرد في المرجع 5. مثل وجود حساسية عالية تسمح مراقبة الشحن لإلكترون واحد في نظم تحت سطح الأرض. يناسب هذا الأسلوب لدراسة الإلكترون أو حفرة ديناميات مجموعات فردية أو صغيرة من dopants في أشباه الموصلات، مع نموذجي الكثافة المساحية إشابة بناء على أمر من 10 15 م -2 في الهندسة المستوية 2. ويرد مثال من تكوين عينة نموذجية لهذا النوع من التجارب في الشكل 1Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. بروتوكول
- الإعداد الأولي من المجهر والالكترونيات
- تبدأ مع لجنة التحقيق المسح المبردة قادرة على المجهر مع الالكترونيات التحكم المرتبطة. وصف المجاهر المستخدمة في البحث هنا استخدام ترجمة بالقصور الذاتي إلى "السير" العينة نحو وبعيدا عن الحافة على طول المنحدرات 13 (مصنوعة من مادة موصلة مثل النحاس والنحاس والفولاذ المقاوم للصدأ أو لتمكينهم من نقل الجهد التحيز لل العينة) كجزء من تصميم STM Besocke 14، أظهرت تخطيطي في الشكل 2.
- بالإضافة إلى الجهد التحيز ونفق الأسلاك المحورية الحالية، وتوفير ما لا يقل عن اثنين من الأسلاك المحورية الأخرى وسلك الأرض التي تمتد من رف الالكترونيات لقرب المنطقة غيض من المجهر من أجل تشغيل دائرة مكبر للصوت المبردة مقابل رسوم كشف حساسة. تجميع عناصر دائرة مكبر للصوت، وصفت بالتفصيل في المراجع 5، 12، و 15، أن يتم إيواء على البريدlectronics رف، وهذا هو جزء من الدائرة خارج المربع المظلل في الشكل 2. وهذا جزء من الدائرة تبقى في درجة حرارة الغرفة في كافة مراحل التجربة.
- تجميع رقاقة المتصاعدة للمعلومات والدوائر HEMT (المربع المظلل في الشكل 2)، وسيتم خفض الدوائر HEMT إلى درجة حرارة التجميد للحصول على قرار الطاقة الأمثل.
- يلتصق شريحة مربع الحجم حوالي 1 سم × 1 سم من رقاقة الغاليوم باستخدام الكاتب؛ يقام على حلبة استشعار والإكراميات على هذه الشريحة. إيداع حوالي 100 نيوتن متر من الذهب فوق طبقة التيتانيوم الشائكة من خلال shadowmask على رقاقة الغاليوم لتشكيل عدة منصات الذهب، كل الحجم حوالي 1 مم × 1 مم، والتي سيتم المستعبدين الأسلاك من HEMT ويتحامل المقاوم. أبعاد منصات ليست حرجة.
- إعداد غيض STM حاد عن طريق خفض ميكانيكيا ل80:20 حزب العمال: سلك عير باستخدام قواطع قطري. ويمكن أيضا غيض ستعدها الكيميائية الحفر سR أو طريقة أخرى يمكن شراؤها تجاريا. تحديد دائرة نصف قطرها من انحناء طرف عبر المجهر الإلكتروني، ونصف قطرها من انحناء وينبغي أن يكون بناء على أمر من القرار المكانية اللازمة لهذه التجربة.
- الايبوكسي سلك الذهب على كل من منصات الذهب باستخدام الايبوكسي موصل قادرة على تحمل درجات الحرارة المبردة، وسوف هذه الأسلاك ربط عناصر الدارة على الرقاقة المتصاعدة إلى الأسلاك المحورية على المجهر. منذ أسلاك الذهب يمكن إزالتها بسهولة بعد الخطوة التالية إذا لم يكن هناك حاجة إليها، الايبوكسي بضعة أسلاك الذهب زائدة على منصات. الايبوكسي وHEMT، المقاوم يتحامل، وغيض STM على الغاليوم تصاعد رقاقة. علاج الايبوكسي كما هو مبين على ميزانيتها معلومات المنتج. (راجع الجدول أدناه من المواد للحصول على التفاصيل.)
- باستخدام سلك بوندر محملة أسلاك الذهب، والسندات ومصدر، واستنزاف، وعناصر بوابة HEMT لفصل منصات الذهب على رقاقة الغاليوم. السندات الأسلاك مؤقت يربط بين البوابة والمصدر سR منصات استنزاف لضمان البوابة لا تصبح مشحونة فيما يتعلق القناة مصدر استنزاف. استخدام شريط تأريض للسلامة واضاف بينما التلاعب HEMT، ومن المهم أن تتخذ الاحتياطات اللازمة لتجنب فرض رسوم ثابتة الضالة التي يمكن أن تدمر HEMT.
- تخزين رقاقة تصاعد المعدة مع الأسلاك التي تعلق على بوابة وإلى القناة مصدر استنزاف للHEMT متصلة كهربائيا مع بعضها البعض لتجنب التقليل من HEMT. إذا تم إزالة الأسلاك المؤقتة المذكورة في الخطوة السابقة، وتطور بلطف الأسلاك معا. فمن أبسط لربط جميع الأسلاك مع بعضها البعض.
- إرفاق رقاقة متزايدة لالمجهر.
- التأكد من أن قنوات بوابة ومصدر استنزاف هي أبدا العائمة، وهذا هو لمنع السراويل المدمرة بين قنوات بوابة ومصدر استنزاف للHEMT. الأرض الأسلاك المحورية على المجهر الذي سيتم ملحوم الأسلاك من رقاقة.
- يضعوا شريحة متزايدة على قمة رانه مسح piezotube، كما هو مبين في الشكل 2.
- لحام أسلاك الذهب التي تمتد من رقاقة المتصاعدة إلى الأسلاك المحورية ذات الصلة باستخدام الإنديوم جندى.
- التحقق من سلامة HEMT باستخدام التتبع منحنى متصلا الأسلاك المحورية في رف الالكترونيات. أساسا، يظهر التتبع منحنى مصدر استنزاف الخصائص الحالية الجهد. وضع الفشل الأكثر شيوعا هو قصير بين البوابة وقناة HEMT مصدر استنزاف لها، والذي ينتج في خصائص مصدر استنزاف التي لا تعير اهتماما لبوابة الجهد.
- تحميل عينة. المشي الى مجموعة مع المجهر تكوينها في وضع STM لضمان أن العينة سوف النهج بنجاح غيض.
- ربط سلك T إلى المضخم تستخدم لSTM نفق القياسات الحالية، ونعلق العاصمة التحيز الجهد V DC إلى سلك B. (إن جميع الاتصالات في رف الالكترونيات.)
- المشي حتى في عينة والإكراميات هي في نطاق نفق. عندما في الاتحاد الإقليمينجى، ينبغي أن يظل piezotube مسح تمديد قليلا من موقف توازنها بحيث التأريض وpiezotube المسح سوف يتسبب في تلميح إلى التراجع عن التمديد في مجموعتها. هذا يتحقق من أن عينة يمكن النهج بنجاح غيض. المشي خارج النطاق بعد القيام بذلك، لحماية معلومات سرية خلال الإجراءات التالية.
- نقل المجهر من الفوق المختبر إلى ديوار لفي نهاية المطاف عملية درجات الحرارة المنخفضة. في هذه المرحلة، وهي مرحلة اكتمال الاختبار، ويمكن أن تبدأ المرحلة التجريبية.
- تضخ المجهر إلى فراغ من بضعة microtorr. تبريد المجهر ل4.2 K أو أدناه للحصول على قرار الطاقة الأمثل، في أعقاب الإجراء المذكورة في دليل لناظم البرد.
- بعد التبريد المجهر لدرجة حرارة قاعدته، إتاحة الوقت الكافي المجهر للوصول إلى التوازن الحراري، ومنذ سيتم تنفيذ المتكررة، ومسح مطولة من نفس المنطقة، فمن المهم للحد من الانجراف الحرارية. (الانجراف هوتحولا في موقف التوازن من غيض فيما يتعلق العينة.)
- تعليق ديوار لعزل المجهر أكبر قدر ممكن من الاهتزازات بسبب اقتران الميكانيكية للمبنى ومضخات التفريغ وغيرها من الأجهزة التي تعلق على المجهر وديوار. ويمكن القيام بذلك باستخدام نظام تعليق الحبل بنجي، كما هو الحال في مرجع 15، أو عن طريق استخدام الينابيع الهواء أو طريقة مماثلة.
- بعد التبريد المجهر وقبل محاولة جمع البيانات والتحقق من سلامة HEMT مرة أخرى باستخدام التتبع منحنى.
- مسح عينة في وضع نفق (STM).
- السير في النطاق. تحديد منطقة من سطح العينة التي هي خالية من الحطام ومن ارتفاع كبير أو الاختلافات الموصلية، وضمان غيض مستقرة.
- تصحيح لأية الخيمة من العينة، وهذا مهم بشكل خاص لأنه سيتم إجراء مسح السعة مع حلقة التغذية المرتدة تعطيل، وبالتالي غيض يمكن أن تعطل إلى السطح إذا كان scannطائرة جي ليست موازية لسطح العينة. من حيث المبدأ، يمكن للمرء استخدام إشارة السعة مع ردود الفعل للحفاظ على السعة ثابت أثناء المسح الضوئي طرف، ولكن في الممارسة العملية، والإشارة ليست قوية بما فيه الكفاية لمنع تحطم إذا تم استخدام التغذية الراجعة.
- مراقبة أي الانجراف الحراري بحيث يمكن التعويض عن تغيير وضعيتها طرف الإزاحة. لاحظ مقدار امتداد غيض بينما في النطاق في وضع نفق، المشار إليها في هذا البروتوكول كنقطة اتصال.
- الانتقال إلى منطقة رابط الجأش من العينة، واحد والتي لم تفحص في وضع STM.
- تعطيل حلقة مفرغة في وحدة تحكم STM. أذكر أنه عندما يتم تعطيل حلقة التغذية المرتدة، دليل الاقتراحات من طرف يمكن أن تسبب عن غير قصد وقوع الحادث. ولذلك ينبغي توخي الحذر الشديد أثناء نقل معلومات سرية.
- التراجع غيض بضع عشرات من نانومتر من لمسة نقطة.
- تعويض عن الموقف الجانبي من طرف إلى منطقة قريبة من العينة مبادرة الخوذ البيضاءCH لم يتم مسحها مؤخرا، لتجنب أي اضطرابات (مثل شحن من المواقع إشابة أشباه الموصلات) الجهد التحيز المطلوبة لتمكين نفق من خلال عينة شبه الموصلة للمسح الضوئي STM قد يسببها.
- تمديد بحذر غيض نحو السطح حتى تهجير غيض من التمديد التوازن على مقربة من حيث الحجم إلى النقطة التي تعمل باللمس.
- تبديل التكوين الأسلاك إلى وضع السعة.
- تأريض جميع الأسلاك المحورية لحماية HEMT.
- ربط الأسلاك المحورية للمصادر والمقاومات الجهد ذات الصلة، وإلى قفل في مكبر للصوت وظيفة مولد، كما هو مبين في الشكل 2.
- بدوره على جميع مصادر الجهد. لتجنب صدمة للHEMT، تبدأ مع النواتج مصدر الجهد في 0 V.
- مطحونة الأسلاك المحورية، وتذكر للحفاظ على البوابة والقناة مصدر استنزاف للHEMT متصلة مع بعضها البعض لأطول فترة ممكنة من أجل حماية HEMT.
- تعيين الخامسمصدر oltage على مقسم الجهد المقاوم (سلك D).
- ضبط HEMT إلى منطقتها الأكثر حساسية عن طريق رصد الجهد عبر الأسلاك L مع المتعدد في حين ضبط V لحن. أعد سلك L لقفل في مكبر للصوت بعد ذلك.
- زيادة V تصل قيمتها حتى إشارة في المرحلة على القفل في زيادات مكبر للصوت، ويبدأ في هضبة؛ سجل هذه القيمة من V لحن، وهو الجهد المطبق على معلومات سرية. وهذا يتيح كل تهمة من قياس للذهاب إلى HEMT بدلا من تسريب من خلال الأسلاك L.
- تحسين المرحلة الداخلية للقفل في مكبر للصوت باستخدام القدرة autophase وسجل قيمة المرحلة.
- انتظر HEMT لتحقيق الاستقرار لضمان عدم وجود آثار حرارية كبيرة (وهذا غالبا ما يستغرق فترة تصل إلى ساعتين).
- تحقيق التوازن بين HEMT عن طريق ضبط إشارة على مستوى مكثف لضمان أن فقط إشارة من الفائدة يذهب إلى قفل في مكبر للصوت. تعديلات للإشارة علىويمكن أن يتم مكثف القياسية إما إلى اتساع التوازن V أو إلى مرحلة النسبي بين V V التوازن والإثارة. يعتبر HEMT متوازنة عندما تكون إشارة في المرحلة على القفل في مكبر للصوت يتم التقليل في هذه الخطوة من الإجراء.
- تنفيذ مسح تهمة التصوير تراكم.
- تعيين DC التحيز الجهد V DC على العينة.
- تمديد تلميح لفي حدود 1 نانومتر من السطح، وذلك باستخدام نقطة اتصال كمرجع.
- تسجيل الناتج من القفل في مكبر للصوت باستخدام برنامج الحصول على البيانات، وهذا هو إشارة من الفائدة.
- مسح العينة. للحصول على قرار جيد، قد يحتاج بالاشعة التي سيتم شراؤها بمعدل عدة ساعات في المسح الضوئي لتسمح في المتوسط إشارة كافية لكل بكسل ومنع تلطيخ للإشارة عبر بكسل المجاورة من الصورة. تنفيذ العديد من عمليات التفحص أكثر من نفس المنطقة، ومتوسط هذه بمسح معا لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
- أداء السعة (CV) التحليل الطيفي مع طرف ثابت فوق سمة تحت السطحية من الاهتمام في صورة تراكم تهمة المكتسبة أثناء الخطوة السابقة.
- المنحدر V DC وتسجيل الناتج من القفل في مكبر للصوت باستخدام برنامج الحصول على البيانات.
- يستغرق عدة (CV) منحنيات السعة مقابل الجهد في نفس الموقع، ومتوسط هذه المنحنيات معا لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. عادة، وبلغ متوسط عدد قليل من منحنيات معا. في حين بلغ متوسط منحنيات يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وذلك بسبب احتمال الانجراف خلال المسح الضوئي، سوى عدد قليل من عمليات الفحص المتعاقبة ينبغي بلغ متوسط معا.
- عودة إلى وضع نفق (STM).
- التراجع عن تلميح لتمديد توازنها وإعادة تكوين الكترونيات للSTM. إعادة تمكين حلقة التغذية المرتدة وتسجيل الحاضر في المدى تمديد طرف (نقطة اتصال).
- مسح المنطقة في وضع نفق للبحث عن الخصائص الموجودة في الجزء العلويography التي ربما تكون قد ولدت التحف في التصوير الطيفي السعة والسعة.
- تحليل وتفسير البيانات، وبعد 9 المرجعي والمعلومات الداعمة في المرجع 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
قائد مؤشر قياس الناجح هو استنساخ، والكثير كما هو الحال في غيرها من وسائل التحقيق المسح. القياسات المتكررة هي مهمة جدا لهذا السبب. لنقطة الطيفي السعة، واتخاذ العديد من القياسات في سلسلة متتالية في نفس الموقع يساعد على زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء وتحديد اشارات غامضة.
مرة واحدة وقد تم التعرف على سمة من سمات الفائدة في صورة تراكم تهمة، وقد تم تنفيذ التحليل الطيفي السعة، وتفسير البيانات CV يبدأ من خلال تحديد ذراع رافعة الجهد. ذراع رافعة الجهد هو عامل مقياس المتعلقة الإمكانات الفعلية في موقع إشابة إلى V DC التطبيقية. فهي تشكل أساسا لمسافة غير صفرية من غيض من طبقة إشابة ولأي الوحشي إزاحة إشابة من موقع مباشرة تحت الحافة. تم العثور على ذراع رافعة التيار الكهربائي من خلال تركيب وظيفة Lorentzian إلى CV الطيفي البيانات 1،8 </ سوب>. إذا كان المطلوب مقياس الجهد المطلقة، ينبغي أن تحدد إمكانية الاتصال (الجهد الذي لا خطوط الحقل الكهربائي من العينة إنهاء عند الطرف) عن طريق مسبار قياس كلفن 1،2،3،7.
ويبين الشكل 3 (أ) مثال لصورة تراكم تهمة مع التحليل الطيفي السيرة الذاتية المكتسبة عند النقطة المشار إليه. كانت عينة السيليكون، مخدر مع يقبلون البورون مع كثافة المساحي من 1.7 × 10 15 م -2 في طبقة دلتا مخدر 15 نانومتر تحت السطح. تشير إلى زيادة ألوان أكثر إشراقا الشحن. يتم تفسير النقاط المضيئة كما بمناسبة الموقع من ذرات البورون الفردية تحت السطحية. النقطة الزرقاء يشير إلى وجود بقعة مشرقة خاصة حيث تم إجراء التحليل الطيفي نقطة CV 1، كما هو مبين في الشكل (3) (ب). يتم تفسير أكبر الذروة إلى أن تهمة دخول إشابة مباشرة تحت الحافة. القمم القريبة من المقرر أن dopants القريبة. وتحولت مراكزهم وسعة ديمجعدة فيما يتعلق ذروة الرئيسي لأن المسافة زادت هذه dopants من طرف يغير المعلمات الخاصة بهم ذراع الرافعة. يتم توسيع القمم على طول محور الجهد من قبل أساسا أربعة الآثار: (1) الذراع ذراع، (2) توسيع الحرارية، (3) السعة من الإثارة الجهد، و (4) تصفية إخراج القفل في مكبر للصوت. يتم احتساب هذه الآثار لفي النموذج، كما هو موضح من قبل اتفاق جيد بين منحنى نموذج مضافين 1 والبيانات.
الشكل 4 (أ) يبين سلسلة من القمم شحن، على غرار الشكل 3 (ب). في هذه الحالة، كان عينة الغاليوم، مخدر مع الجهات المانحة السيليكون مع الكثافة المساحية من 1.25 × 10 16 م -2 في طبقة دلتا مخدر 60 نانومتر تحت السطح. ونظرا لكثافة إشابة عالية، معظم الميزات الطيفية في هذه التجربة تعكس مجموعات من العديد من الإلكترونات. ويتم تحديد القمم التي كتبها المناسب؛ تفسير ذروة بأنها تعزى إلى الغناءجنيه الإلكترون يأتي من التناسق في الشكل والحجم مع النموذج المتوقع لذروة إلكترون واحد. تم حل حفنة من قمم إلكترون واحد في هذه التجربة 2، واحد منها هو الذي يشير إليه السهم الأحمر. الشكل 4 (ب) و 4 (ج) التركيز على هذه الذروة، والتي تبين أن لديها الشكل المتوقع لفترة واحدة، تأثير الإلكترون. تناسب في الشكل 4 (ج) هو نصف القطع الناقص 16 convolved مع وظائف المحاسبة عن الآثار الذروة توسيع الموصوفة أعلاه. هذا مناسبا معلمتين الحرة: وسط الذروة وذراع الرافعة. منحنيات CV ثلاثة في الشكل 4 (ب) هي قياسات التحليل الطيفي متتابعة على نفس الميزة. كمية من التبعثر في البيانات في الشكل 4 (ب) هو نموذجي؛ المتوسط عدة منحنيات معا، كما هو الحال في الشكل (4) (أ)، والنتائج في أكثر هيكل الذروة يمكن تحديدها بسهولة، ولهذا السبب يفعلون المنحنيات CV متعددة علىنفس الميزة مهمة جدا لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
الشكل 1. التخطيطي من عينة نموذجية. تخطيطي لعينة نموذجية لمسح مسبار التجارب السعة-إلكترون واحد. العينة هي أشباه الموصلات مع طبقة إجراء الكامنة في عمق المعروفة من السطح إلى التي يتم تطبيقها التحيز والإثارة الفولتية. وتطمر في طبقة ثنائية الأبعاد من dopants، أيضا على عمق المعروف من على سطح الأرض. الإلكترونات نفق بين طبقة وطبقة إجراء إشابة، وتغيير السعة من النظام وإحداث شحنة الصورة في الطرف الذي يقاس بواسطة جهاز حساسة للتهمة. وهناك عالية بما فيه الكفاية الجهد التحيز تمكين الإلكترونات إلى نفق بين طبقة إشابة ودولة السطح أيضا، والبريدnabling الكشف عنها على السطح بواسطة STM.
الشكل 2. التخطيطي من المجهر والمسؤول عن جهاز الاستشعار. مخطط الرسم البياني لمكبر للصوت هو موضح في المرجع 5 وبناء على مرجع 12. ويظهر تصاعد رقاقة في مكان على التخطيطي من Besocke تصميم 14 المسح التحقيق المجهر مع سلالم و13 عينة (وليس إلى نطاق). سلك B يوفر عينة التحيز الجهد، بما في ذلك إثارة الجهد AC تستخدم للتحريض على نفق من وإلى dopants تحت سطح الأرض. يتم توصيل الأسلاك إلى C مكثف القياسية والانضباطي مصدر الجهد المتردد الذي يسمح موازنة من HEMT. سلك L يتصل القفل في مكبر للصوت الذي يتم تسجيل إشارة السعة، والأسلاك D يتصل مصدر الجهد من خلال المقاومة لخلق AVالمفرق oltage؛ الناتج من مقسم الجهد هو إشارة أرسلت إلى قفل في مكبر للصوت. خلال قياسات السعة، يتم توصيل سلك T إلى مصدر الجهد قابل للتعديل من خلال المقاوم كبيرة لمنع تهمة AC على طرف من تسريب أسفل هذا الممر. في نفق (STM) واسطة، والأسلاك T يصبح السلك الحالي النفقي (مع قطع مصدره الجهد)، والأسلاك B يبقى متصلا بمصدر التيار الكهربائي DC، وترتكز جميع الأسلاك الأخرى. وهناك خيار نموذجي للمقاومة مقسم الجهد على الأسلاك D هو 100 أوم مع الجهد على الأسلاك D من +1.25 V. اختيار السعة القياسية ينبغي مواجهة خلفية بلاغ عينة السعة المتبادلة، وهو ما يقرب من 20 وما يليها المقاوم يتحامل على سلك T يجب أن تكون في حدود 20 MΩ. تهدف هذه الخيارات لضبط المقاومة من HEMT قناة مصدر استنزاف لنظامها الأكثر حساسية.
"/ files/ftp_upload/50676/50676fig3highres.jpg" SRC = "/ files/ftp_upload/50676/50676fig3.jpg" />
الشكل (3). SCA الصورة والتحليل الطيفي CV على القابل مخدر سي (أ) تهمة صورة المسح الضوئي تراكم عينة السيليكون مخدر مع طبقة من يقبلون البورون من كثافة المساحي 1.7 × 10 15 م -2 تقع على بعد 15 نانومتر تحت السطح 1؛ V DC = 75 MV، V = 3.7 الإثارة بالسيارات، ودرجة الحرارة كانت 4.2 K. (ب) التحليل الطيفي السيرة الذاتية المكتسبة في هذه النقطة في (أ) يتبين من النقطة الزرقاء. للتركيز على بنية الذروة، وكان طرح خط الخلفية. وقد تحولت مقياس الجهد بحيث الصفر هي مركز أكبر الذروة؛ منذ ولم تلحق أية قياس التحقيق كلفن خلال هذه التجربة لتحديد نطاق الجهد المطلق، وهذا الإزاحة هي مسألة الملاءمة.
load/50676/50676fig4highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50676/50676fig4.jpg "/>
الشكل 4. . CV التحليل الطيفي التحليل على المانحة مخدر الغاليوم (أ) التحليل الطيفي السيرة الذاتية المكتسبة في الغاليوم، مخدر مع طبقة من السيليكون الجهات المانحة من كثافة المساحي 1.25 × 10 16 م -2 يقع على بعد 60 نانومتر تحت السطح 2؛ V الإثارة = 15 بالسيارات؛ في وكان درجة الحرارة 0.3 K. السهم الأحمر يمثل الذروة التي تم التحقيق مزيد من (ب) أكثر تفصيلا الفردية CV قياسات التحليل الطيفي للقمة المشار إليه في الفقرة (أ) مع الجهد تركزت على الذروة؛. V الإثارة = 3.8 بالسيارات (ج) بلغ متوسط البيانات من منحنيات متعددة هو مبين في (ب). صالح، كما هو موضح باللون الأخضر، والحسابات لمدة أربعة الآثار التي توسيع الذروة: ذراع رافعة، الحرارية توسيع، واتساع الإثارة الجهد، وتصفية إخراج من القفل في مكبر للصوت. في (ب) و (ج) (أ)، C لم يصدر = ΔQ طرف / V الإثارة التحويل إلى قيمة السعة عبر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ويرد شرح مفصل عن الأساس النظري لهذا المنهج التجريبي في المراجع 8 و 9 و مناقشته فيما يتعلق سيناريو dopants تحت سطح الأرض في المرجع 2، وبالتالي فإن نظرة عامة المعروضة هنا الإيجاز والمفاهيمية. يتم التعامل مع طرف واحد من لوحة مكثف، والطبقة إجراء الكامنة تشمل العينة لوحة أخرى. إذا تم تطبيق الجهد DC يتم سحبها بحيث الإلكترونات نحو الحافة، وإذا كان هناك ذرة إشابة الواقعة بين إجراء طبقة الكامنة وغيض التي يمكن أن تستوعب على رسوم إضافية، ثم الإلكترون ستدخل إشابة وبالتالي الحصول على أقرب إلى غيض. من الكهرباء الساكنة، يجب على حركة هذه الإلكترونات حمل شحنة صورة من علامة المقابلة على الطرف. فإن الجهد الإثارة الجيبية (V الإثارة) التي تتلخص في الجهد DC تسبب الإلكترون ليتردد صداها بين طبقة الركيزة وإشابة. في المقابل، فإن الصورة يتقاضى ثسوء صداها أيضا، وهو ما يعطي إشارة AC التي تم الكشف عنها من قبل حساسة تهمة الكشف عن الدوائر الاستفادة من HEMT ومواصلة تضخيم مع قفل في مكبر للصوت. ويمكن بعد ذلك تحويل هذا إشارة اتهام إلى السعة.
وضع الفشل الأكثر شيوعا من هذه التجربة تنطوي على الأضرار التي لحقت الدوائر HEMT التي تمكن من تهمة كشف حساسة. منذ HEMT بوابة صغيرة جدا، ويمكن حتى صغيرة ساكنة تراكم تهمة يسبب فشل HEMT، وعادة في شكل قصيرة بين القناة مصدر استنزاف والبوابة. إذا كان HEMT هو قلل، يمكن قياس السعة-إلكترون واحد لا يستمر دون أن يحل محلها. منذ أن كمية ملحوظة من الوقت ينفق عموما في إعداد التجربة، ولا سيما في تبريد المجهر إلى درجة حرارة قاعدته، HEMTs المستخدمة في هذه التجارب يجب أن تكون محمية من خلال ضمان أن القنوات البوابة ومصدر استنزاف تطفو أبدا، إما عن طريق الاتصال هذه الخيوط مع بعضها البعض (عرجن العمل مع أسلاك الذهب صغيرة على رقاقة) أو من خلال زرع جذور لهم (عند العمل مع وصلات الأسلاك المحورية). ويمكن اتخاذ احتياطات اضافية من خلال ارتداء حزام التأريض أثناء التعامل مع شريحة متزايدة أو الأجهزة المجهر، وخصوصا في الطقس الجاف، والتهمة ثابتة حتى خفيفة من شخص مجرب ويمكن الخراب HEMT إما عن طريق البيع على المكشوف الصريح هو أو من قبل الامر الذي ادى الى اعتراض رسوم في مثل هذه الطريقة أنه لم يستقر تماما. إذا كنت في شك حول صحة HEMT، ينبغي للمرء أن استخدام التتبع منحنى للبحث عن التغيرات المتوقعة في خصائص مصدر استنزاف مع التطبيقية بوابة الجهد (غالبا ما تسمى "مروحة").
أبعاد منصات الذهب على رقاقة تصاعد ليست ذات أهمية كبيرة، بشرط أن تكون كبيرة بما يكفي للسماح ناجح الترابط الأسلاك، وحتى الآن أصغر بكثير من المليمتر لتجنب اقتران السعة الزائدة إلى الحلبة. قبل إرفاق HEMT أو تلميح، قد يكون من المفيد للقيام elsew السندات اختبارهنا على رقاقة متزايدة لاختبار مدى يمكن أن يتوقع الرابطة للعمل على أن رقاقة. يمكن بما في ذلك عدد قليل من منصات الذهب اضافية على رقاقة تصاعد أيضا أن يكون مفيدا في حالة جزء من رقاقة هو أكثر استعدادا للارتباط من مناطق أخرى على رقاقة. إذا يبدو عملية التسنيد إلى أن سحب حوامل من الذهب الخروج من لوحة، ورقاقة الغاليوم ربما لم تكن نظيفة بما فيه الكفاية قبل كانت قد وضعت طبقات معدنية أسفل أو الذهب قد تدهورت مع التقدم في السن. خفض الطاقة بالموجات فوق الصوتية المستخدمة في سلك بوندر قد تكون مفيدة في هذه الحالة.
يستخدم الإنديوم جندى لإرفاق يؤدي الذهب إلى الأسلاك المحورية لما له من خصائص جيدة في درجات الحرارة المبردة. وبالمثل، يتم استخدام الغاليوم مثل المادة لأجل شريحة متزايدة لتجنب التسبب في إجهاد الحراري الناجم عن الانكماش في HEMT، الذي هو في حد ذاته ملفقة على ركيزة الغاليوم. منذ الغاليوم هو مادة كهرضغطية، يمكن أن سلالة الميكانيكية على الركيزة يسبب فشلا قصيرة وما يترتب على ذلك منHEMT.
لأشباه الموصلات المستخدمة في التجارب في المراجع 1 و 2، ويمكن تصوير سطح العينة باستخدام نظام باعتباره STM. وهذا هو القول، يمكن أن الإلكترونات نفق الواقع مباشرة على طرف عندما تم تكوين الجهاز في وضع STM. وهذا مفيد جدا لأنه يوفر وسيلة لجلب رأس مقربة من عينة من دون ان تتحطم غيض إلى السطح. وهناك حاجة إلى الجهد التحيز بناء على أمر من بضع إلى عدة فولت لإنشاء نفق الحالي مستقر. مع عالية بما فيه الكفاية الجهد التحيز، وسوف يتم سحب الرسوم من طبقة إجراء الكامنة في جميع أنحاء المناطق العازلة من العينة لتشكيل عجن إجراء من تهمة على السطح، وسوف تتبع هذه عجن غيض كما يتم فحص الحافة. وبالتالي يمكن تصوير السطح كما هو الحال في STM القياسية. يمكن وضع نفق تسبب ضررا الإلكترونية للقياسات اللاحقة. على سبيل المثال، يوجد احتمال للعينة أن تتأثر الفولتية التحيز الكبيرة المطلوبة لمعهد العالم العربيجنرال الكتريك لعينة شبه الموصلة في وضع نفق، وربما إحداث شحن عابر من العيوب القريبة من السطح. لحل هذه، يمكن للمرء إزالة الجهد الكبير وتعويض تلميح لمنطقة عدة مئات نانومتر بعيدا (عادة من دون استخدام التغذية الراجعة)، كما هو موضح في البروتوكول. بدلا من ذلك، فإن وجود ضرر على عينة يمكن الكشف عنها بواسطة التحليل الطيفي أداء السيرة الذاتية أو عن طريق القيام كلفن مسبار قياس 2.
الشكل الهندسي للتجربة يعني ينبغي أن تهدف خصائص معينة لفي التنمية من العينة. توطين طبقة إشابة على طول اتجاه نفق المهم، باعتبارها طبقة سميكة إشابة بشكل مفرط سوف تضيف إلى غموض تحديد ذراع الرافعة. وبعبارة أخرى، ينبغي أن سماكة طبقة إشابة تكون أقرب ما يمكن إلى طائرة ذرية واحدة. ويشار إلى هذا الترتيب باسم "دلتا المنشطات." على سبيل المثال، في التجربة في مرجع 1، وكان طبقة إشابة ما يقرب من 2 nanometers سميكة.
يمكن الناجحة تهمة التصوير بالاشعة تراكم عمله لتحديد ملامح بالسعة التي تهم تأخذ قدرا كبيرا من الوقت، وأحيانا على النظام لعدة ساعات. وفيما يتعلق سرعة المسح الضوئي، يجب على كل بكسل من الصورة تأخذ مقدار الوقت مماثلة لعدة فترات V الإثارة، وتصفية إخراج من في القفل مكبر للصوت يجب تعيين إلى حوالي نفس القيمة كما في المرة لكل بكسل. الانجراف في المجهر الذي لم يكن ملحوظا على مدار مسح STM دقائق قليلة يمكن أن يساهم في تلطيخ من تهمة كبيرة-الأطول مدة تراكم الصور.
وسوف نفس غيض تستخدم لحفر الأنفاق وللتجارب السعة لها شكل فعال مختلفة نظرا لاعتماد مسافة قريبة من آليات قياس كل منها. منذ نفق يعتمد بشكل كبير على المسافة، لتقريب جيد، لن يؤدي إلا ذرة طرف واحد تتلقى أكثر من الحالية. عشر بالتاليشكل (ه) من طرف على مقياس النانومتر هو في الغالب غير ذات صلة، طالما قمة مستقرة ميكانيكيا. في SCA التصوير، وعلى النقيض من ذلك، فإن تهمة الكشف عن معلومات سرية ويرجع ذلك إلى السعة؛ تحدث تقريبا، أنها تتناسب عكسيا مع المسافة والأجزاء العليا من طرف يمكن أن تحصل في الواقع جزءا كبيرا من الإشارة. وهذا يعني أن نصف قطرها نانومتر النطاق من انحناء طرف هو ذات الصلة لتقنيات قياس السعة. لتحقيق أقصى قدر من السعة للإشارة دون المساس القرار المكانية، وينبغي أن يكون في دائرة نصف قطرها طرف مساويا تقريبا لعمق طبقة إشابة تحت سطح 8،9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.
Acknowledgments
وأيد هذا البحث تمت مناقشتها هنا قبل معهد جامعة ولاية ميشيغان للعلوم الكم والمؤسسة الوطنية للعلوم DMR-0305461، DMR-0906939، وDMR-0605801. يقر KW دعم من وزارة التعليم الأمريكية GAANN التخصصات الإلكترونيات البيولوجية تدريب الزمالة البرنامج.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | |
References
- Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon. Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).
- Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules. Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules. Physica B. 403, 3774-3780 (2008).
- Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges. Science. 276, 579-582 (1997).
- Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).
- Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale. Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).
- Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid. Nature. 392, 51-54 (1998).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes. Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).
- Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape. Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).
- Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).
- Ashoori, R. C.
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box. Physica B. 189, 117-124 (1993).
- Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope. Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).
- Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).
- Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. High-scan-range cryogenic scanning probe microscope. Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels. Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).
