ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים סורקות-בדיקה

Summary

ספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים סורקות-בדיקה מאפשרת חקר תנועת אלקטרון בודד מתחת לפני הקרקע באזורים מקומיים. מעגל אחראי לזיהוי רגיש הוא שולב מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני לחקור מערכות קטנות של אטומים dopant מתחת לפני השטח של דגימות מוליכים למחצה.

Abstract

שילוב של טכניקות סריקת בדיקה טמפרטורה נמוכה וספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים מייצג כלי רב עוצמה כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של קוונטי מערכות קטנות - כולל dopants האטומי הבודדים במוליכים למחצה. כאן אנו מציגים שיטה המבוססת על קיבול, המכונה חיוב צבירה (SCA) הדמיה מתחת לפני קרקע, שהוא מסוגל לפתור טעינה בודדות, תוך השגת אלקטרונים ברזולוציה מרחבית מספיקה כדי dopants האטומי הבודדים תמונה. השימוש בטכניקה מאפשרת תצפית קיבול של תכונות מתחת לפני הקרקע, כגון dopants קבור ננומטרים רבים מתחת לפני השטח של חומר מוליך למחצה ^1,2,3. באופן עקרוני, בטכניקה זו יכולה להיות מיושמת על כל מערכת כדי לפתור את תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח מבודד.

כמו בטכניקות סרוקה-בדיקה חשמלית תחום רגיש אחרות ^4, ברזולוציה מרחבית לרוחב של המדידה תלויה בחלקה ברדיוס של curvaturדואר של הקצה החללית. בעזרת טיפים עם רדיוס קטן של עקמומיות יכולה לאפשר רזולוציה מרחבית של כמה עשרות ננומטרים. רזולוציה המרחבית בסדר זה ​​מאפשרת חקירות של מספרים קטנים (עד אחד) של ^1,2 dopants מתחת לפני הקרקע. הרזולוציה תשלום תלויה במידה רבה ברגישות של מעגלי גילוי המטען; באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT) במעגלים כאלה בקירור מאפשר רגישות של כ 0.01 אלקטרונים / הרץ ^½ ב 0.3 K ^5.

Introduction

צבירת הדמיה חיוב מתחת לפני הקרקע (SCA) היא שיטה בטמפרטורה נמוכה מסוגלות לפתור אירועי טעינה בודדות אלקטרונים. כאשר פנה למחקר של אטומים dopant במוליכים למחצה, השיטה יכולה לזהות אלקטרונים בודדים הנכנסים לאטומים תורמים או acceptor, המתיר אפיון של המבנה הקוונטי של מערכות הזעירות אלה. בלב שלה, SCA הדמיה היא מדידת קיבול מקומית ⁶ מתאימה היטב למבצע קריוגני. בגלל קיבול מבוסס על שדה חשמלי, זה השפעה לטווח ארוך שיכול לפתור טעינה מתחת בידוד משטחים ^6. מבצע קריוגני מאפשר חקירה של ריווח רמה הקוונטית תנועה אחת אלקטרון וזה יהיה בלתי פתיר ^ב1,2 טמפרטורת החדר. הטכניקה יכולה להיות מיושמת על כל מערכת שבה תנועת אלקטרונים מתחת לפני השטח בידוד היא חשובה, ובכלל זה לחייב את הדינמיקה במערכות אלקטרונים דו ממדים בממשקים נקברו ^7; לקיצור, ההתמקדות כאן תהיה על לימודים של dopants מוליכים למחצה.

ברמה סכמטית ביותר, טכניקה זו מטפלת בקצה סרוק כצלחת אחת של קבל לוחות מקבילים, אם כי ניתוח ריאליסטי דורש תיאור מפורט יותר כדי להסביר את העקמומיות של הקצה ^8,9. הצלחת האחרת בדגם הזה היא אזור הננומטרי של שכבת ניהול הבסיסית, כפי שמוצג באיור 1. בעיקרו של דבר, כתשלום נכנס dopant בתגובה למתח עירור תקופתי, זה מתקרב לקצה; תנועה זו גורמת לתמונה יותר אחראית על הקצה, אשר זוהה עם מעגל החיישן ^5. בדומה לכך, כפי שיוצא את החיוב dopant, תשלום על קצה התמונה הוא ירד. לפיכך אות הטעינה התקופתית בתגובה למתח העירור היא האות מזוהות - בעצם זה קיבול, ולכן מדידה זו היא המכונה לעתים קרובות קביעת מאפייני קורות החיים של המערכת.

אוהל "> במהלך מדידת הקיבול, מנהור נטו היחיד הוא בין שכבת הבסיס ושכבת מוליך dopant -. תשלום לעולם מנהרות ישירות על קצה חוסר נהור או מהקצה ישיר במהלך המדידה הוא הבדל חשוב בין זה הטכניקה ומיקרוסקופ מנהור הסורק המוכר יותר, אם כי הרבה יותר של החומרה למערכת זו היא בעצם זהה לזו של מיקרוסקופ מנהור סורק. כמו כן, חשוב לציין כי SCA ההדמיה היא לא ישירות רגישה למטענים סטטיים. לחקירות של מטען סטטי הפצות, מיקרוסקופיית קלווין בדיקה או מיקרוסקופית כוח אלקטרוסטטית מתאימה שיטות קירור נוספות לבחינת התנהגות אלקטרונית מקומית קיימות וגם להם רזולוציה מרחבית טובה ואלקטרונית;. למשל, מיקרוסקופיית אלקטרונים טרנזיסטור יחידה היא שיטה אחר סריקת חללית מסוגלת לאתר דקות טעינה השפעות ^4,10. SCA הדמיה הייתה במקורפותח ב-MIT על ידי Tessmer, Glicofridis, אשורית, ועמיתים לעבודה ⁷ ומעבר לכך, בשיטה המתוארת כאן יכולה להיחשב כגרסת בדיקה סריקה של שיטת ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים שפותחו על ידי אשורית ועמיתים לעבודה ^11. אלמנט מרכזי של המדידה הוא מעגל אחראי לזיהוי רגיש להפליא ^5,12 באמצעות טרנזיסטורים ניידות אלקטרונים גבוהים (HEMT), הוא יכול להשיג את רמת רעש נמוך ככל 0.01 אלקטרונים / הרץ ^½ ב 0.3 K, טמפרטורת הבסיס של cryostat בהתייחסות 5. כגון רגישות גבוהה מאפשרת תצפית של טעינה בודדת אלקטרונים במערכות מתחת לפני הקרקע. שיטה זו מתאימה למחקר של אלקטרון או חור דינמיקה של קבוצות בודדות או קטנות של dopants במוליכים למחצה, עם צפיפויות אזוריות dopant טיפוסיים על סדר הגודל של 10 ¹⁵ מ ^-2 בגיאומטריה של מישור ^2. דוגמה לתצורת מדגם אופיינית לסוג זה של ניסוי זה מוצגת באיור 1 . שכבת dopant ממוקמת בדרך כלל כמה עשרות ננומטרים מתחת לפני השטח, זה חשוב לדעת את המרחקים המדויקים בין שכבת ניהול הבסיסית ושכבת dopant ובין שכבת dopant ומדגם השטח. בניגוד לנהור, קיבול לא ליפול באופן אקספוננציאלי אלא בעצם פוחת ביחס הפוך למרחק. לפיכך, עומק dopant יכול בעיקרון להיות אפילו עמוק יותר מעשרות ננומטרים מתחת לפני השטח, כל עוד חלק סביר של אדמות שדה חשמליים שעל הקצה. לכל בדיקות המקומיות הקירור הנ"ל של התנהגות אלקטרונית, כולל את הטכניקה שתוארה כאן, ברזולוציה מרחבית מוגבלת על ידי הגודל הגיאומטרי של הקצה ועל ידי המרחק בין התכונה מתחת לפני הקרקע של ריבית ובדיקת קצה הסריקה.

Protocol

1. פרוטוקול

1. הגדרה ראשונית של מיקרוסקופ ואלקטרוניקה
   1. תתחיל עם מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני שמסוגל להריץ עם אלקטרוניקה שליטה כרוכה בכך. המיקרוסקופים המשמשים למחקר המתואר כאן להשתמש בתרגום אינרציה "ללכת" לקראת המדגם והרחק מהקצה לאורך רמפות ¹³ (עשוי מחומר ניצוח כגון נחושת, פליז, או נירוסטה כדי לאפשר להם לשדר מתח הטיה ל לדוגמה), כחלק מעיצוב STM Besocke ^14, הראה סכמטי באיור 2.
   2. בנוסף למתח ההטיה וחוטים קואקסיאליים נהור הנוכחיים, לספק לפחות שני חוטים קואקסיאליים אחרים וחוט קרקע שמשתרעים מהמדף לאלקטרוניקה בסמוך לאזור הקצה של מיקרוסקופ כדי להפעיל את מעגל מגבר קריוגני לגילוי מטען רגיש. להרכיב את האלמנטים של מעגל המגבר, שתואר בפירוט בהערות 5, 12, ו -15, שהם שוכנו בדוארlectronics מדף, זה החלק מהמעגל מחוץ לקופסה המוצלת באיור 2. חלק זה של המעגל יישאר בטמפרטורת חדר לאורך כל הניסוי.
2. להרכיב את שבב ההרכבה לקצה ולמעגל HEMT (תיבה מוצלת באיור 2); מעגל HEMT תקטן לטמפרטורת קריוגני להשיג רזולוציה אנרגיה אופטימלית.
   1. קליב שבב מרובע בגודל כ 1 ס"מ על 1 ס"מ מרקיק GaAs באמצעות סופר; מעגל החיישן והקצה יהיה רכוב על השבב הזה. הפקדה כ -100 ננומטר של זהב על גבי שכבת דבק טיטניום דרך shadowmask על שבב GaAs כדי ליצור כמה רפידות זהב, כל אחד בגודל של כ 1 מ"מ x 1 מ"מ, כדי שחוטים מHEMT ונגד הטיית יהיו מלוכדות. הממדים של הרפידות הם לא קריטיים.
   2. הכן STM קצה חד על ידי חיתוך מכאני Pt 80:20: תיל העיר באמצעות חותכים אלכסוניים. טיפ גם יכול להיות מוכן על ידי כימי התחריט Oשיטת R או אחר ניתן לרכוש באופן מסחרי. לקבוע את רדיוס עקמומיות של הקצה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים; רדיוס עקמומיות צריך להיות על סדר הרזולוציה מרחבית דרושה לניסוי.
   3. אפוקסי חוטי זהב על גבי כל אחד מרפידות הזהב באמצעות אפוקסי מוליך מסוגל לעמוד בקירור; חוטים אלו יתחברו האלמנטים של המעגל על ​​שבב ההרכבה לחוטים קואקסיאליים במיקרוסקופ. מאז ניתן להסיר את חוטי הזהב בקלות אחרי השלב הבא, אם הם לא נחוצים, אפוקסי כמה חוטי זהב מיותרים על גבי כריות. אפוקסי HEMT, נגד הטיית, וSTM הקצה על גבי GaAs ההרכבה שבב. לרפא אפוקסי כפי שצוין בגיליון המידע על המוצר שלה. (ראה הטבלה של חומרים מתחת לפרטים.)
   4. שימוש בונדר חוט תיל עמוס זהב, אג"ח המקור, ניקוז, ואלמנטי שער של HEMT להפריד רפידות זהב על שבב GaAs. חוטים זמניים אג"ח המחברים את השער והמקור oרפידות ניקוז R כדי להבטיח את השער אינה הופכת להיות מחויב ביחס לערוץ מקור-טמיון. השתמש ברצועת הארקה לבטיחות נוספת בעת המניפולציה HEMT, חשוב לנקוט באמצעי זהירות כדי למנוע החדרת מטענים סטטיים תועים שעלולות להרוס את HEMT.
   5. אחסן את שבב ההרכבה המוכן עם החוטים המחוברים לשער ולערוץ מקור-ניקוז של HEMT חשמלי מחובר זה לזה כדי להימנע מקצר HEMT. אם כבר הסירו את החוטים הזמניים שהוזכרו בשלב הקודם, בעדינות לסובב את החוטים יחד. זה הפשוט ביותר כדי לחבר את כל החוטים אחד לשנייה.
3. צרף את שבב ההרכבה למיקרוסקופ.
   1. ודא כי ערוצי השער ומקור ניקוז הם אף פעם לא משתנה, וזאת כדי למנוע קצר הרסני בין השער ומקור-טמיון ערוצי HEMT. להאריק את החוטים קואקסיאליים במיקרוסקופ כדי שהחוטים מהשבב יהיו מולחמים.
   2. להדביק את השבב על גבי ההרכבה לאהוא סריקת piezotube, כפי שמוצג באיור 2.
   3. הלחמה חוטי הזהב המשתרעים משבב ההרכבה לחוטים קואקסיאליים הרלוונטיים באמצעות הלחמת אינדיום.
4. בדקו את שלמות HEMT באמצעות מעקב עקומה מחובר לחוטים קואקסיאליים במתלת האלקטרוניקה. בעיקרו של דבר, נותב העקומה מציג את המאפיינים נוכחי מתח מקור הניקוז. מצב הכישלון הנפוץ ביותר הוא קצר בין שער HEMT וערוץ מקור-הניקוז שלה, שתוצאתה מאפייני מקור ניקוז שהם רגישים למתח שער.
5. הר המדגם. נכנס לטווח עם מיקרוסקופ מוגדר במצב STM על מנת להבטיח כי המדגם יפנה את הקצה בהצלחה.
   1. חבר T חוט למגבר קדם משמש למדידות זרם STM נהור, ולצרף את מתח DC ההטיה V _DC לחוט ב '(כל החיבורים נעשים במתלת האלקטרוניקה.)
   2. ללכת עד הקצה והמדגם נמצאים בטווח נהור. כאשר בדלקת מפרקים שגרוניתnge, piezotube הסריקה צריכה להישאר הוארך במקצת ממצב שיווי המשקל שלו כך שהארקת piezotube הסריקה תגרום טיפ לחזור מההארכה ב- הטווח שלו. זה מוודא כי המדגם יכול להתקרב לקצה בהצלחה. ללכת מחוץ לטווח אחרי עושה את זה, כדי להגן על הקצה במהלך הפעולות הבאות.
   3. העבר את המיקרוסקופ מbenchtop המעבדה לדיואר לפעולה בטמפרטורה נמוכה סופו של דבר. בשלב זה, שלב הבדיקות הוא להשלים את השלב הניסיוני יכול להתחיל.
6. לשאוב את המיקרוסקופ לואקום של כמה microtorr. לקרר את המיקרוסקופ ל4.2 K או מתחת לרזולוצית אנרגיה אופטימלית, בעקבות ההליך המתואר במדריך לcryostat.
   1. לאחר קירור מיקרוסקופ לטמפרטורת הבסיס שלה, לאפשר למיקרוסקופ מספיק זמן כדי להגיע לשיווי משקל תרמי; מאז סריקות חוזרות ונשנות, ארוכות של אותו האזור תבוצענה, חשוב למזער את הסחיפה תרמית. (הסחף הואשינוי במצב שיווי המשקל של הקצה ביחס למדגם.)
   2. להשעות את דיואר לבודד את המיקרוסקופ ככל האפשר מתנודות עקב צימוד מכאני לבניין ולמשאבות ואקום והתקנים אחרים המחוברים למיקרוסקופ ודיואר. ניתן לעשות זאת באמצעות מערכת השעיה כבל באנג'י, כמו בעיון 15, או על ידי שימוש בקפיצי אוויר או בשיטה דומה.
7. לאחר הקירור למיקרוסקופ ולפני שאנסה איסוף נתונים, לוודא את תקינות HEMT שוב באמצעות נותב העקום.
8. סרוק את המדגם במצב מנהור (STM).
   1. נכנס לטווח. אתר אזור של שטח המדגם שהוא חופשי מפסולת ומגובה משמעותי או וריאציות מוליכות, ולהבטיח את הקצה הוא יציב.
   2. נכון לכל הטיה של המדגם, זה חשוב במיוחד משום שסריקות קיבול תבוצענה עם לולאת המשוב מושבתת, ובכך הקצה יכול לקרוס לתוך השטח אם scannמטוס ing אינו מקביל למשטח של המדגם. בעיקרון, ניתן להשתמש באות הקיבול עם משוב כדי לשמור על קיבול קבוע בזמן סריקת הקצה, עם זאת, בפועל, האות היא שלא מספיק חזקה כדי למנוע התרסקות אם נעשה שימוש במשוב.
   3. שים לב לכל סחיפה תרמית, כך שהוא יכול להיות מתוגמל על ידי למקם מחדש את הקצה לקזז. שים לב לכמות הסיומת של הקצה ואילו בטווח במצב מנהור, המכונה בפרוטוקול זה כנקודת המגע.
9. לעבור לאזור שלוות נפש של המדגם, אחד שלא נסרק במצב STM.
   1. השבת את לולאת המשוב בבקר STM. נזכיר כי כאשר לולאת המשוב מבוטלת, תנועות ידניות של הקצה יכולים בטעות לגרום להתרסקות. יש לנקוט זהירות רבה ולכן תוך כדי תנועת הקצה.
   2. לחזור בו טיפ כמה עשרות ננומטרים מנקודת המגע.
   3. לקזז את המצב לרוחב של הקצה לאזור סמוך של המדגם WHIפרק לא נסרק לאחרונה, כדי למנוע כל הפרעות (כגון טעינה של אתרי dopant מוליכים למחצה) מתח ההטיה נדרש כדי לאפשר נהור דרך מדגם מוליכים למחצה עבור סריקת STM יכול להיות המושרית.
   4. זהירות להאריך את הקצה לכיוון פני השטח עד לעקירה מקצה הרחבה שיווי משקל היא בגודל קרוב לנקודת המגע.
10. לעבור תצורת חיווט למצב קיבול.
    1. לקרקע את כל החוטים קואקסיאליים להגן HEMT.
    2. לחבר את החוטים קואקסיאליים למקורות המתח ונגדים והרלוונטיים לנעילה ב מגבר והמחולל הפונקציה, כפי שמוצג באיור 2.
    3. הפעל את כל מקורות המתח. כדי להימנע מלזעזע HEMT, להתחיל עם יציאות מקור מתח על 0 V.
    4. Unground את החוטים קואקסיאליים, לזכור לשמור על השער וערוץ מקור-ניקוז של HEMT מחובר זה לזה זמן רב ככל האפשר על מנת להגן על HEMT.
    5. הגדר את vמקור oltage על נגד חלק המתח (החוט ד ').
    6. לכוון HEMT לאזור רגיש ביותר שלה על ידי ניטור המתח על פני אורך חוט עם מודד תוך התאמת _מנגינת V. חבר מחדש L חוט לנעילה ב מגבר אחר כך.
    7. הגדל את _מנגינת V עד האות בשלב בנעילה בעליות מגבר ומתחיל לרמת שיא; ערך זה של _מנגינת V, שהוא המתח להחיל את הקצה. זה מאפשר לכל תשלום מהמדידה ללכת לHEMT במקום דולף דרך החוט L.
    8. לייעל את השלב הפנימי של הנעילה ב מגבר באמצעות יכולת autophase ולהקליט את ערך השלב.
    9. חכה לHEMT לייצב כדי להבטיח אין תופעות תרמיות משמעותיות (זה לוקח בדרך כלל עד שעתיים).
11. לאזן את HEMT ידי התאמת האות על הקבלים סטנדרטי כדי להבטיח שרק האות של עניין הולכת לנעילה ב מגבר. התאמות של האות עלקבלים סטנדרטי ניתן לעשות זאת גם למשרעת של _איזון V או לשלב _איזון היחסי בין V _ועירור V. HEMT נחשב מאוזנת כאשר האות בשלב בנעילה ב מגבר ממוזער בשלב זה של ההליך.
12. לבצע הדמיה הצטברות מטען סריקה.
    1. הגדר את DC ההטיה מתח V _DC במדגם.
    2. להאריך את הקצה עד למרחק של 1 ננומטר של פני השטח, תוך שימוש בנקודת המגע כנקודת התייחסות.
    3. רשום את הפלט של הנעילה ב מגבר באמצעות תוכנת רכישת נתונים, זה האות של עניין.
    4. סרוק את המדגם. כדי לקבל רזולוציה טובה, הסריקות ייתכן שתהיינה צורך שנרכשו בשיעור של כמה שעות בסריקה כדי לאפשר מיצוע אות חזק מספיק עבור כל פיקסל וכדי למנוע מריחה של האות על פני פיקסלים סמוכים של התמונה. לבצע מספר סריקות מעל אותו האזור, ואלה ממוצע סריקות יחד כדי לשפר את יחס אות לרעש.
13. לבצע קיבול ספקטרוסקופיה (CV) עם הקצה הנייח מעל תכונה מתחת לפני הקרקע של עניין בתמונה הצטברות המטען שנרכשה במהלך השלב הקודם.
    1. רמפת V _DC ולהקליט את הפלט של נעילה ב מגבר באמצעות תוכנת רכישת נתונים.
    2. קח כמה קיבול לעומת מתח (CV) עקומות באותו המיקום, וממוצע העיקולים האלה יחד כדי לשפר את יחס אות לרעש. בדרך כלל, כמה עקומות יש בממוצע יחד. בעוד עקומות ממוצע משפרת את יחס אות לרעש, בגלל הפוטנציאל לסחיפה במהלך סריקות, רק קומץ של סריקות עוקבות צריך להיות בממוצע יחד.
14. לחזור למצב מנהור (STM).
    1. לחזור בו טיפ להארכת שיווי המשקל שלה ולהגדיר מחדש את האלקטרוניקה לSTM. להפעיל מחדש את לולאת המשוב ולהקליט את ההווה ב- מגוון הרחב של הקצה (נקודת מגע).
    2. סרוק את האזור במצב נהור לחפש תכונות בחלק העליוןography שאולי נוצר ממצאים בהדמית הקיבול וספקטרוסקופיה קיבול.
15. לנתח ולפרש את הנתונים, בעקבות התייחסות 9 ומידע התומך בעיון 1.

תוצאות

המדד הראשי של מדידה מוצלחת הוא שחזור, כמה שיותר בשיטות בדיקה סריקה אחרות. מדידות חוזרות הן חשובים מאוד מסיבה זו. לספקטרוסקופיה קיבול הנקודה, במדידות רבות ברציפות באותו המקום עוזרת להגדיל את יחס אות לרעש ולזהות אותות מזויפים.

ברגע...

Discussion

הסבר מפורט של הבסיס התיאורטי לשיטה ניסיונית זו ניתן בהפניות 8 ו -9 ודן ביחס לתרחיש של dopants מתחת לפני הקרקע בעיון 2; הסקירה המובאת כאן על כן תהיה קצרה ורעיונית. הקצה הוא כאל צלחת אחת קבלים, ואת שכבת ניהול שבבסיס המדגם כולל את הצלחת האחרת. אם מתח DC מוחל כאלה שהאלקטרונים נמשכ...

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