सभी इलेक्ट्रॉनिक Nanosecond-हल स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोपी: एकल Dopant प्रभारी गतिशीलता की जांच की सुविधा
Summary
हम एक सभी इलेक्ट्रॉनिक विधि nanosecond का निरीक्षण करने के लिए प्रदर्शन-एक स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोप के साथ सिलिकॉन में dopant परमाणुओं के आरोप गतिशीलता का समाधान ।
Abstract
dopants की छोटी संख्या को नियंत्रित कर सकते हैं जहां तराजू करने के लिए अर्धचालक उपकरणों के miniaturization डिवाइस संपत्तियों अपनी गतिशीलता निस्र्पक करने में सक्षम नई तकनीकों के विकास की आवश्यकता है. जांच एकल dopants उप नैनोमीटर स्थानिक संकल्प है, जो सुरंग माइक्रोस्कोपी (STM) स्कैनिंग के उपयोग को प्रेरित की आवश्यकता है । हालांकि, पारंपरिक STM मिलीसेकंड लौकिक संकल्प तक ही सीमित है । इस कमी को दूर करने के लिए कई विधियाँ विकसित की गई हैं, जिनमें सभी इलेक्ट्रॉनिक समय-समाधान STM, जो nanosecond संकल्प के साथ सिलिकॉन में dopant गतिशीलता की जांच करने के लिए इस अध्ययन में प्रयोग किया जाता है. यहां प्रस्तुत तरीके व्यापक रूप से सुलभ है और परमाणु पैमाने पर गतिशीलता की एक विस्तृत विविधता के स्थानीय माप के लिए अनुमति देते हैं । एक उपंयास समय-हल स्कैनिंग सुरंग स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक प्रस्तुत की है और कुशलता से गतिशीलता के लिए खोज करने के लिए इस्तेमाल किया ।
Introduction
स्कैनिंग सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी (STM) परमाणु पैमाने पर स्थलाकृति और इलेक्ट्रॉनिक संरचना को हल करने की क्षमता के लिए nanoscience में प्रमुख उपकरण बन गया है । पारंपरिक STM की एक सीमा है, तथापि, यह है कि अपने लौकिक संकल्प क्योंकि वर्तमान एम्पलीफायर के सीमित बैंडविड्थ की मिलीसेकंड टाइमस्केल करने के लिए प्रतिबंधित है1. यह लंबे समय के लिए तराजू जिस पर परमाणु प्रक्रियाओं सामांयतः होते है STM लौकिक संकल्प का विस्तार लक्ष्य दिया गया है । समय में अग्रणी काम-फ्रीमैन एट. al . द्वारा सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी (TR-STM) स्कैनिंग का समाधान किया । 1 उपयोग photoconductive स्विच और microstrip संचरण लाइनों सुरंग जंक्शन के लिए picosecond वोल्टेज दालों संचारित करने के लिए नमूने पर नमूनों. इस जंक्शन मिश्रण तकनीक 1 एनएम और 20 ps2के एक साथ संकल्प प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, लेकिन यह व्यापक रूप से विशेष नमूना संरचनाओं का उपयोग करने की आवश्यकता के कारण कभी नहीं अपनाया गया है । सौभाग्य से, मौलिक अंतर्दृष्टि इन कार्यों से प्राप्त कई समय के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है हल तकनीक; हालांकि STM के सर्किट की बैंडविड्थ कई kilohertz करने के लिए सीमित है, गैर रेखीय मैं (V) STM में प्रतिक्रिया की अनुमति देता है तेजी से गतिशीलता औसत सुरंग कई पंप जांच चक्र पर प्राप्त वर्तमान को मापने के द्वारा जांच की जा । हस्तक्षेप के वर्षों में, कई तरीकों का पता लगाया गया है, जिनमें से सबसे लोकप्रिय नीचे संक्षेप में समीक्षा कर रहे हैं ।
हिल-पल्स-जोड़ी-उत्साहित (SPPX) STM नमूना3में सीधे सुरंग जंक्शन और रोमांचक वाहक रोशन द्वारा उप picosecond संकल्प को प्राप्त करने के लिए ultrafast स्पंदित लेजर प्रौद्योगिकियों में प्रगति का लाभ लेता है. घटना लेजर प्रकाश मुक्त वाहक बनाता है कि क्षणिक आचरण को बढ़ाने, और पंप और जांच (टीडी) के बीच देरी के मॉडुलन डीमैं/dटीडी के साथ मापा जा करने की अनुमति देता है एक ताला एम्पलीफायर में । क्योंकि पंप और जांच के बीच देरी है लेजर तीव्रता से संग्राहक है, के रूप में कई अंय ऑप्टिकल दृष्टिकोण में, SPPX-STM टिप3के फोटो रोशनी प्रेरित थर्मल विस्तार से बचा जाता है । इस दृष्टिकोण के और अधिक हाल के एक्सटेंशन timescales पर जो SPPX-STM नाड़ी उठा तकनीक का उपयोग करके गतिशीलता की जांच करने के लिए पंप की सीमा बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है बढ़ाया है-जांच देरी बार4। महत्वपूर्ण बात, इस हाल के विकास भी मैं(टीडी) सीधे घटता बजाय संख्यात्मक एकीकरण के माध्यम से मापने की क्षमता प्रदान करता है । SPPX-STM के हाल के अनुप्रयोगों में वाहक पुनर्संयोजन के अध्ययन में शामिल है एकल-(Mn, Fe)/GaAs (110) संरचनाओं5 और GaAs में दाता गतिशीलता6. SPPX-STM के अनुप्रयोग कुछ प्रतिबंधों का सामना करते हैं । संकेत SPPX-STM उपाय ऑप्टिकल दालों से उत्साहित मुक्त वाहकों पर निर्भर करता है और सबसे अच्छा अर्धचालक के लिए अनुकूल है । इसके अतिरिक्त, हालांकि सुरंग चालू टिप करने के लिए स्थानीयकृत है, क्योंकि एक बड़े क्षेत्र ऑप्टिकल दालों से उत्साहित है, संकेत स्थानीय गुण और सामग्री परिवहन के एक कनवल्शनफ़िल्टर्स है । अंत में, जंक्शन पर पूर्वाग्रह माप टाइमस्केल पर तय की है ताकि अध्ययन के तहत गतिशीलता photoinduced होना चाहिए ।
एक और हाल ही में ऑप्टिकल तकनीक, टैरा STM (टीएचजैड-STM), जोड़ों मुक्त अंतरिक्ष टीएचजैड दालों STM टिप करने के लिए जंक्शन पर ध्यान केंद्रित । SPPX-STM में विपरीत, युग्मित दालों फास्ट वोल्टेज दालों के रूप में उप-picosecond संकल्प7के साथ इलेक्ट्रॉनिक प्रेरित उत्तेजक की जांच के लिए अनुमति के रूप में व्यवहार. दिलचस्प है, सुधारा वर्तमान में टीएचजैड दालों से उत्पंन चरम चोटी वर्तमान घनत्व में पारंपरिक STM8,9तक पहुंच नहीं है । तकनीक हाल ही में इस्तेमाल किया गया है Si (111) में गर्म इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन-(7×7)9 और छवि एक एकल pentacene अणु के कंपन10। टीएचजैड-दालें स्वाभाविक रूप से कुछ टिप करने के लिए, तथापि, आवश्यकता एक STM प्रयोग करने के लिए एक टीएचजैड स्रोत को एकीकृत करने के लिए कई प्रयोगों के लिए चुनौतीपूर्ण होने की संभावना है. यह अन्य व्यापक रूप से लागू और आसानी से लागू करने वाली तकनीकों के विकास के लिए प्रेरित करता है ।
२०१० में, Loth एट अल । 11 एक सभी इलेक्ट्रॉनिक तकनीक विकसित की है जहां nanosecond वोल्टेज दालों एक डीसी ऑफसेट के शीर्ष पर लागू इलेक्ट्रॉनिक पंप और जांच प्रणाली11। इस तकनीक का परिचय समय के अस्पष्ट और व्यावहारिक अनुप्रयोगों के एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन की पेशकश-हल STM को पहले से मनाया भौतिकी उपाय । हालांकि यह जंक्शन मिश्रण STM है, जो इसे पहले, STM टिप करने के लिए माइक्रोवेव दालों लागू करने के रूप में तेजी से नहीं है मनमाना नमूने की जांच करने के लिए परमिट । इस तकनीक किसी भी जटिल ऑप्टिकल तरीके या STM जंक्शन के लिए ऑप्टिकल का उपयोग की आवश्यकता नहीं है । यह यह सबसे आसान तकनीक को कम तापमान STMs के लिए अनुकूल बनाता है । इन तकनीकों का पहला प्रदर्शन स्पिन-गतिशीलता के अध्ययन के लिए लागू किया गया था जहां एक स्पिन-ध्रुवीकरण STM के लिए स्पिन के विश्राम की गतिशीलता को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया था राज्यों पंप दालों से उत्साहित11. हाल ही में जब तक, अपने आवेदन चुंबकीय adatom सिस्टम12,13,14 तक ही सीमित है, लेकिन बाद से वाहक कब्जा दर के अध्ययन के लिए एक असतत मध्य अंतर राज्य15 और प्रभारी गतिशीलता से विस्तारित किया गया है सिलिकॉन में सिंगल आर्सेनिक dopants की15,16. बाद के अध्ययन में इस कार्य का ध्यान रखा जाता है ।
एक dopants के गुणों पर अध्ययन अर्धचालकों में हाल ही में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) उपकरणों अब शासन जहां एकल dopants डिवाइस गुण को प्रभावित कर सकते हैं में प्रवेश कर रहे हैं17 . इसके अलावा, कई अध्ययनों का प्रदर्शन किया है कि एकल dopants भविष्य उपकरणों के बुनियादी घटक के रूप में सेवा कर सकते हैं, उदाहरण के लिए qubits के रूप में क्वांटम अभिकलन18 और क्वांटम स्मृति19, और के रूप में एकल एटम ट्रांजिस्टर20 , 15. भविष्य के उपकरणों को भी इस तरह के सिलिकॉन झूलने बांड (DB) जो STM लिथोग्राफी21के साथ परमाणु परिशुद्धता के साथ नमूनों किया जा सकता है के रूप में अंय परमाणु पैमाने पर दोष, शामिल हो सकते हैं । इस अंत करने के लिए, डीबीएस प्रभारी qubits22के रूप में प्रस्तावित किया गया है, क्वांटम सेलुलर माता के लिए23वास्तुशिल्पियों के लिए क्वांटम डॉट्स,24, और परमाणु तारों25,26 और बनाने के नमूनों किया गया है क्वांटम Hamiltonian तर्क गेट्स27 और कृत्रिम अणुओं28,29। आगे बढ़ने, उपकरणों दोनों एकल dopants और डीबीएस शामिल हो सकते हैं । यह एक आकर्षक रणनीति है क्योंकि डीबीएस सतह दोषों कि आसानी से STM के साथ विशेषता हो सकता है और एक dopant उपकरणों की विशेषता को संभाल के रूप में इस्तेमाल किया जाता है । इस रणनीति का एक उदाहरण के रूप में, डीबीएस के पास सतह dopants के चार्ज गतिशीलता का अनुमान लगाने के लिए चार्ज सेंसर के रूप में इस काम में इस्तेमाल कर रहे हैं । इन गतिशीलता TR-STM कि Loth एट अल द्वारा विकसित तकनीकों से अनुकूलित है के लिए एक सभी इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण के उपयोग के साथ कब्जा कर रहे हैं । 11
माप चयनित डीबीएस पर एक हाइड्रोजन समाप्त एसआई (100)-(2×1) सतह पर प्रदर्शन कर रहे हैं । एक dopant कमी सतह के नीचे लगभग ६० एनएम का विस्तार क्षेत्र, क्रिस्टल के थर्मल उपचार के माध्यम से बनाया गया30, डीबी और कुछ शेष पास थोक बैंड से सतह dopants । डीबीएस के STM अध्ययन में पाया गया है कि उनके कंडक्टर dopants और तापमान की एकाग्रता के रूप में वैश्विक नमूना मापदंडों, पर निर्भर है, लेकिन व्यक्तिगत डीबीएस भी अपने स्थानीय वातावरण16के आधार पर मजबूत बदलाव दिखा । एक एकल db पर एक STM माप के दौरान, वर्तमान प्रवाह दर जिस पर इलेक्ट्रॉनों को थोक से db (Γथोक) और डीबी से टिप (Γटिप) (चित्रा 1) के लिए सुरंग कर सकते हैं द्वारा नियंत्रित होता है । हालांकि, db का संचालन अपने स्थानीय वातावरण के प्रति संवेदनशील है, क्योंकि समीपवर्ती dopants के प्रभारी राज्य Γबल्क (आंकड़ा 1b) को प्रभावित करते हैं, जो डीबी के कंडक्टर की निगरानी से आस्थगित किया जा सकता है । नतीजतन, किसी DB के कंडक्टर को आस-पास के dopants के प्रभारी राज्यों को समझने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और उन दरों का निर्धारण किया जा सकता है जिन पर dopants को थोक (ΓLH) से इलेक्ट्रॉनों की आपूर्ति की जाती है और उन्हें STM टिप (Γएचएल ). इन गतिशीलता को हल करने के लिए, TR-अनुसूचित जनजातियों दहलीज वोल्टेज के आसपास किया जाता है (Vionization) जिस पर नोक के पास सतह dopants के लाती है । पंप और जांच दलहन की भूमिका तीन बार में ही हल की गई प्रायोगिक तकनीक यहां प्रस्तुत है. पंप क्षणिक नीचे से Vdopant, जो उत्प्रेरण ionization के ऊपर पूर्वाग्रह स्तर लाता है । यह डीबी के संचालन बढ़ जाती है, जो जांच पल्स द्वारा नमूना है जो एक कम पूर्वाग्रह पर इस प्रकार है ।
इस पत्र में वर्णित तकनीकों को STM के साथ nanosecond टाइमस्केल को मिलीसेकंड पर होने वाली गतिशीलता की विशेषता के लिए इच्छुक लोगों को लाभ होगा । हालांकि इन तकनीकों को चार्ज गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए सीमित नहीं हैं, यह महत्वपूर्ण है कि गतिशीलता राज्यों के संचालन में क्षणिक परिवर्तन के माध्यम से प्रकट कर रहे हैं कि STM द्वारा जांच की जा सकती है (यानी, राज्यों पर या सतह के पास). क्षणिक राज्यों के कंडक्टर काफी संतुलन राज्य से अलग नहीं करता है, तो इस तरह कि क्षणिक और संतुलन धाराओं जांच पल्स ड्यूटी चक्र से गुणा के बीच अंतर प्रणालियों शोर मंजिल से छोटी है (आमतौर पर 1 pA), सिग्नल शोर में खो जाएगा और इस तकनीक से detectable नहीं होगा । क्योंकि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध STM प्रणालियों के प्रायोगिक संशोधनों के लिए इस पत्र में वर्णित तकनीकों प्रदर्शन की आवश्यकता मामूली हैं, यह प्रत्याशित है इन तकनीकों समुदाय के लिए व्यापक रूप से सुलभ हो जाएगा ।
Protocol
Representative Results
Discussion
टी. आर.-अनुसूचित जनजाति जिसमें पंप पल्स लागू नहीं है के संस्करण पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों के बराबर है, सिवाय इसके कि प्रणाली एक उच्च आवृत्ति के बजाय लगातार से नमूना किया जा रहा है । यदि जांच दालों की अ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम उनके तकनीकी विशेषज्ञता के लिए मार्टिन Cloutier और मार्क Salomons शुक्रिया अदा करना चाहूंगा । हम भी वित्तीय सहायता के लिए एनआरसी, NSERC, और AITF धंयवाद ।
Materials
| Low Temperature Scanning Tunneling Microscope | Scientaomicron | Custom-made with 500MHz bandwidth wiring | |
| Arbitarary Function Genorator | Tektronix | AFG3252C | |
| RF Power Splitter/ Combiner | Mini-Circuits | ZFRSC-42-S + | |
| RF Switch | Mini-Circuits | X80-DR230-S + | |
| Non-Contact Infrared Pyrometers | Micron Infrared | MI 140 |
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