All-elektronisk nanosekund-løst skanning tunnelering mikroskopi: Tilrettelegge etterforskningen av enkelt Dopant kostnad Dynamics

Summary

Vi viser en all-elektronisk metode å observere nanosekund-løst kostnad dynamikken i dopant atomer i silisium med skanning tunnelering mikroskop.

Abstract

Miniatyrisering av halvleder utstyr til skalaer hvor lite antall dopants kan styre enhetsegenskaper krever utvikling av nye teknikker i stand til å karakterisere deres dynamics. Undersøker enkelt dopants krever sub nanometer romlig oppløsning, noe som motiverer bruk av scanning tunneling mikroskopi (STM). Men er konvensjonelle STM begrenset til millisekund midlertidig løsning. Flere metoder har blitt utviklet for å overvinne dette brist, inkludert all-elektronisk tid-løst STM, som brukes i denne studien for å undersøke dopant dynamikk i silisium med nanosekund oppløsning. Metodene presenteres her er allment tilgjengelig, og tillate lokale måling av en rekke dynamikken i atomic skala. En roman løst tid-scanning tunneling spektroskopi teknikk er presentert og brukes til å effektivt finne dynamics.

Introduction

Scanning tunneling mikroskopi (STM) har blitt den fremste verktøyet i nanovitenskap for sin evne til å løse atomic skala topografi og elektronisk struktur. En begrensning av konvensjonelle STM, er imidlertid at timelige oppløsningen er begrenset til millisekund tidsskalaen på grunn av den begrensede båndbredden av aktuelle forforsterker¹. Det har lenge vært et mål å utvide STMS midlertidig løsning med skalaen som atomic prosesser ofte oppstår. Den banebrytende arbeid i tid-løst scanning tunneling mikroskopi (TR-STM) av Freeman et. al. ¹ utnyttet fotoledende brytere og microstrip overføringslinjer mønstret på prøve å overføre picosecond spenning pulser tunnel veikrysset. Denne krysset-miksing teknikk er brukt til å oppnå samtidige løsninger for 1 nm og 20 ps², men det har aldri vært allment vedtatt på behovet for å bruke spesialiserte eksempel strukturer. Heldigvis kan grunnleggende innsikt ervervet fra disse verkene generaliseres til mange gang-løst teknikker; Selv om båndbredden til den STM krets er begrenset til flere kilohertz, kan den ikke-lineære I(V) responsen i STM raskere dynamics å bli analysert ved å måle gjennomsnittlig tunnelen gjeldende oppnådd over mange pumpe-sonden sykluser. I de mellomliggende årene, mange tilnærminger har blitt utforsket, den mest populære av disse er kort omtalt nedenfor.

Rystet-puls-par-spent (SPPX) STM utnytter fremskritt i lynraske pulsed laser teknologi å oppnå sub picosecond oppløsning ved direkte belysning tunnel krysset og spennende operatører i eksempel³. Hendelsen laserlys oppretter gratis bærere som forbedrer transiently ledning og modulering av forsinkelsen mellom pumpen og sonde (t_d) lar djeg/dt_d skal måles med en bindingstid forsterker. Fordi intervallet mellom pumpen og sonde modulert enn av laser intensitet, som mange andre optisk tilnærminger, unngår SPPX-STM bilde belysning-indusert termisk ekspansjon av tips³. Senere utvidelser av denne tilnærmingen har utvidet tidsskalaene som SPPX-STM kan brukes til å undersøke dynamics ved å benytte puls-plukking teknikker for å øke omfanget av pumpe-sonden forsinkelse ganger⁴. Viktigere, gir denne siste utviklingen også muligheten til å måle jeg(t_d) kurver direkte stedet via numeriske integrering. Siste anvendelser av SPPX-STM har med studiet av transportøren rekombinasjon i single-(Mn, Fe)/GaAs(110) strukturer⁵ og donor dynamikken i GaAs⁶. Anvendelser av SPPX-STM møte noen begrensninger. Signalet SPPX-STM måler avhenger gratis bærere opphisset av den optiske pulser og er best egnet til halvledere. I tillegg, selv om tunneling gjeldende er lokalisert til spissen, fordi et stort område er begeistret av den optiske pulser, er signalet en convolution av lokale egenskapene og materiale transport. Til slutt, skjevhet i krysset fast på måling tidsskalaen slik at dynamikken under studien må være photoinduced.

En nyere optisk teknikk, terahertz (THz-STM), STM par ledig plass THz pulser fokusert på krysset til STM spissen. I motsetning til i SPPX-STM fungerer kombinert pulser som rask spenning pulser slik at etterforskningen av elektronisk drevet excitations med sub picosecond oppløsning⁷. Interessant, generert korrigere gjeldende fra THz pulser resultater i ekstreme peak gjeldende tettheter ikke tilgjengelig med konvensjonelle STM^8,9. Teknikken er brukt nylig å studere varme elektroner i Si(111)-(7×7)⁹ og bilde vibrasjoner i en enkelt pentacene molekyl¹⁰. THz-pulser naturlig par til spissen, men nødvendigheten av å integrere en THz kilde til et STM eksperiment kan være utfordrende å mange forskere. Dette motiverer utviklingen av andre mye relevant og enkelt iverksettes teknikker.

I 2010, uvillig et al. ¹¹ utviklet en all-elektronisk teknikk der nanosekund spenning pulser brukes på toppen av en DC-forskyvning elektronisk pumpe og undersøke systemet¹¹. Innføringen av denne teknikken tilbød en kritisk demonstrasjon av entydig og praktiske anvendelser av tid-løst STM måle tidligere ubemerket fysikk. Men det ikke er så fort som krysset blande STM, som gikk forut for det, tillater bruke mikrobølgeovn pulser STM spissen vilkårlig prøver å bli undersøkt. Denne teknikken krever ikke noen komplisert optiske metoder eller optisk tilgang til STM krysset. Dette gjør det enkleste teknikken til å tilpasse seg lav temperatur STMs. Den første demonstrasjonen av disse teknikkene ble brukt til studiet av spill-dynamikk der en spin-polarisert STM ble brukt til å måle avslapning dynamikken i spin-statene opphisset av pumpen pulser¹¹. Inntil nylig anvendelsen forble begrenset til magnetisk adatom systemer^12,13,14 , men har siden blitt utvidet til studiet av transportøren innspillingshastigheten fra et diskret midt gap staten¹⁵ og lade dynamics av enkelt arsen dopants i silicon^15,16. Den siste studien er fokus for dette arbeidet.

Studier av egenskapene til én dopants i halvledere har nylig fått betydelig oppmerksomhet fordi complementary metal Oxice semiconductor (CMOS) enheter nå inn regimet der én dopants kan påvirke enhetsegenskaper¹⁷ . I tillegg har flere studier vist at én dopants kan tjene som den grunnleggende komponenten i fremtidige enheter, for eksempel som qubits for quantum databehandling¹⁸ og quantum minne¹⁹, og som enkelt atom transistorer^{20 , 15}. fremtiden enheter kan også inkludere andre Atom skala defekter, slik som silisium dingler bond (DB) som kan være mønstrede med Atom presisjon med STM litografi²¹. Dette DBs er foreslått som kostnad qubits²², kvante prikker for quantum cellular automata arkitekturer^23,24og Atom ledninger^25,26 og ha blitt mønster for å lage Quantum Hamiltonian logikk gates²⁷ og kunstig molekyler^28,29. Fremover, kan enheter inkludere både enkelt dopants og DBs. Dette er en attraktiv strategi fordi DBs er overflate mangler som lett kan preget med STM og brukes som en referanse som karakteriserer enkelt dopant enheter. Som et eksempel på denne strategien brukes DBs i dette arbeidet som kostnad sensorer for å antyde lading dynamikken i nær overflaten dopants. Denne dynamikken er fanget med bruk av en all-elektronisk tilnærming til TR-STM som er tilpasset fra teknikker utviklet av uvillig et al. ¹¹

Mål utføres på valgte DBs på en hydrogen avsluttet Si(100)-(2×1) overflate. En dopant uttømming regionen strekker seg ca 60 nm under overflaten, opprettet via termisk behandling av krystall³⁰, decouples DB og de få gjenværende nær overflaten dopants fra bulk bandene. STM studier av DBs har funnet at deres konduktans er avhengig av globale utvalg parametere, for eksempel konsentrasjonen av dopants og temperaturen, men enkelte DBs viser sterk variasjoner avhengig av deres nærmiljø¹⁶. Under en STM måling over en enkelt DB, gjeldende flyt er underlagt hastigheten som elektroner kan tunnel fra bulk til DB (Γ_bulk) og DB til spissen (Γ_tips) (figur 1). Men fordi gjennomføring av DB er følsom for sitt nærmiljø, påvirker anklagen tilstanden i nærliggende dopants Γ_bulk (figur 1B), som kan utledes ved å overvåke DBS konduktans. Resultatet konduktans en DB kan bli brukt til å lade statene i nærheten dopants, og kan brukes til å bestemme prisen som dopants levert elektroner fra bulk (Γ_LH) og mister dem til STM spissen (Γ_{HL ). Du kan løse denne dynamikken ved utføres TR-m rundt terskel spenning (Vthr) som induserer spissen ionisering av nær overflaten dopants. Rollen på pumpen og sonde pulser er den samme i tre tid-løst eksperimentelle teknikker som presenteres her. Pumpen bringer transiently bias nivået nedenfor til over Vthr, som induserer dopant ionisering. Dette øker konduktans av DB, som samples ved byens sonde som følger ved en lavere skjevhet.}

Teknikkene som beskrives i denne artikkelen vil gagne de som ønsker å karakterisere dynamics fra millisekundet til nanosekund tidsskalaen med STM. Disse teknikkene er ikke begrenset til å studere kostnad dynamics, er det avgjørende at dynamikken er manifestert via forbigående endringer i konduktans stater som kan bli undersøkt av STM (dvs. statene på eller nær overflaten). Hvis konduktans forbigående statene ikke avvike betydelig fra likevekt staten, slik at forskjellen mellom forbigående og likevekt strøm multiplisert er sonde puls driftssyklus mindre enn systemer støy etasje (vanligvis 1 pA), signalet vil bli borte i støyen og kan ikke oppdages av denne teknikken. Fordi eksperimentelle endringene av kommersielt tilgjengelig STM systemer som kreves for å utføre teknikkene i denne utredningen er beskjedne, er det forventet disse teknikkene vil være allment tilgjengelig for fellesskapet.

Protocol

1. første installasjon av mikroskopet og eksperimenter Begynne med en av beryllium vakuum kryogene-kompatible STM og tilhørende programvare. Cool STM til kryogene temperaturer.Merk: I denne rapporten av beryllium vakuum refererer til systemer som oppnå < 10 x 10-10 Torr. STM bør avkjøles til kryogene temperaturer; Dette er spesielt viktig når undersøke kostnad dynamikken i dopants, som aktiveres termisk ved beskjeden temperaturer. Andre kamre kan være ved romtemperatur. Kontroll…

Representative Results

Resultatene presenteres i denne delen av teksten har vært publisert tidligere15,16. Figur 3 viser virkemåten for eksempel valgt DB med konvensjonelle STM. En tradisjonell I(V) måling (figur 3A) viser tydelig en skarp endring i konduktans DB på Vthr =-2.0 V. Dette er også observert i STM bilder tatt på-2.1 V (figur 3B…

Discussion

Varianten av TR-m som byens pumpen ikke brukes sammenlignes konvensjonelle m, bortsett fra at systemet blir samples på en høy frekvens snarere enn kontinuerlig. Hvis varigheter i sonde passer (>Γ_LH), de TR-m signal ervervet uten pumpen pulsen kan multipliseres med en konstant proporsjonal med eksperimentet driftssyklus sammenfaller nøyaktig med en konvensjonell m mål. Dette er bare mulig fordi målene er gjort uten bruk av en bindingstid forsterker, som ellers ville dempe en ukjent del av tapsfri…

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