Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

Riepilogo

Spettroscopia capacitanza singolo elettrone-scanning probe facilita lo studio del moto a singolo elettrone in regioni localizzate sottosuolo. Un circuito di carica-rivelazione sensibile è integrato in una sonda criogenica scansione microscopio per indagare piccoli sistemi di atomi di drogante sotto la superficie dei campioni semiconduttori.

Abstract

L'integrazione di bassa temperatura tecniche di scansione-sonda e spettroscopia di capacità a singolo elettrone rappresenta un potente strumento per studiare la struttura elettronica quantistica dei sistemi di piccole dimensioni - tra cui singole droganti atomiche nei semiconduttori. Qui vi presentiamo un metodo capacità-based, nota come Subsurface carica Accumulo (SCA), l'imaging, che è in grado di risolvere la ricarica a singolo elettrone, ottenendo sufficiente risoluzione spaziale di immagini singole droganti atomiche. L'uso di una tecnica di capacitanza permette l'osservazione di caratteristiche sottosuolo, come droganti sepolti molti nanometri sotto la superficie di un materiale semiconduttore ^1,2,3. In linea di principio, questa tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema per risolvere movimento dell'elettrone sotto una superficie isolante.

Come in altre tecniche scansionata-sonda di campo elettrico sensibili ^4, la risoluzione spaziale laterale della misura dipende in parte dal raggio curvature della punta della sonda. Utilizzando punte con un piccolo raggio di curvatura può abilitare la risoluzione spaziale di poche decine di nanometri. Questa risoluzione spaziale fine permette indagini di piccoli numeri (fino a uno) di droganti sottosuolo ^1,2. La risoluzione di carica dipende molto dalla sensibilità del circuito di rivelazione di carica; utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT) in tali circuiti a temperature criogeniche permette una sensibilità di circa 0.01 elettroni / Hz ^½ a 0.3 K ^5.

Introduzione

Subsurface carica accumulo di imaging (SCA) è un metodo a bassa temperatura in grado di risolvere gli eventi di ricarica a singolo elettrone. Quando applicata allo studio di atomi droganti nei semiconduttori, il metodo può rilevare singoli elettroni entrano donatore o accettore atomi, permettendo caratterizzazione della struttura quantistica di questi sistemi minuti. Nel suo cuore, SCA imaging è una misura di capacità locale ⁶ particolarmente adatto per il funzionamento criogenico. Poiché la capacità è basata sul campo elettrico, è un effetto a lungo raggio che può risolvere ricarica sotto superfici isolanti ^6. Funzionamento criogenico permette indagini di movimento a singolo elettrone e il livello di spaziatura quantistico che sarebbe irrisolvibile a temperatura ambiente ^1,2. La tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema in cui il movimento di elettroni sotto una superficie isolante è importante, comprese le dinamiche di carica in sistemi di elettroni bidimensionali alle interfacce sepolte ^7, per brevità, qui l'attenzione sarà su studi di droganti semiconduttori.

Al livello più schematico, questa tecnica tratta il puntale digitalizzata come una piastra di un condensatore piano, anche se realistica analisi richiede una descrizione più dettagliata per tenere conto della curvatura della punta ^8,9. L'altra armatura in questo modello è una regione nanoscala dello strato conduttore sottostante, come mostrato in Figura 1. Essenzialmente, come una carica entra in un drogante in risposta a una tensione di eccitazione periodica, si avvicina alla punta, e questo movimento induce più carica immagine sulla punta, che viene rilevata con il circuito sensore ^5. Similmente, come la carica esce dal droganti, la carica immagine sulla punta diminuisce. Quindi il segnale periodico di carica in risposta alla tensione di eccitazione è il segnale rilevato - essenzialmente è capacitanza; quindi questa misura viene spesso indicato come determinare le caratteristiche CV del sistema.

tenda "> Durante la misura di capacità, l'unica rete di tunnel si trova tra lo strato conduttivo di fondo e lo strato di drogante -. charge mai tunnel direttamente sulla punta La mancanza di diretta tunneling da o verso la punta durante la misurazione è una differenza importante tra questo tecnica e il più familiare microscopia ad effetto tunnel, anche se gran parte dell'hardware per questo sistema è essenzialmente identica a quella di un microscopio a scansione tunnel. E 'anche importante notare che SCA imaging non è direttamente sensibile alle cariche elettrostatiche. Per ricerche di carica statica distribuzioni, la scansione Kelvin Probe Microscopy o microscopia a forza elettrostatica è appropriato Ulteriori metodi criogenici per l'esame di comportamento elettronico locale esiste che hanno anche una buona risoluzione elettronica e spaziale,., ad esempio, la scansione di transistor a singolo elettrone è un altro metodo di microscopia a scansione di sonda in grado di rilevare minuti di ricarica Effetti ^4,10. SCA di imaging è stato originariamentesviluppato al MIT da Tessmer, Glicofridis, Ashoori e collaboratori ^7, inoltre, il metodo descritto qui può essere considerato come una versione a scansione di sonda del metodo Spettroscopia Capacità singolo elettrone sviluppato da Ashoori e collaboratori ^11. Un elemento chiave della misura è un circuito di carica di rilevamento estremamente sensibile ^5,12 utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT), ma può raggiungere un livello di rumore a partire da 0.01 elettroni / Hz ^½ a 0,3 K, la temperatura di base del criostato in riferimento 5. Tale elevata sensibilità consente l'osservazione di ricarica a singolo elettrone in sistemi sottosuolo. Questo metodo è adatto per lo studio di elettroni o buco dinamiche individuali o piccoli gruppi di droganti nei semiconduttori, con le tipiche densità areali droganti dell'ordine di 10 ^{15 m-2} in una geometria piana ^2. Un esempio di una configurazione di esempio tipico per questo tipo di esperimento è mostrato in Figura 1 . Lo strato drogante è tipicamente posizionata a poche decine di nanometri sotto la superficie, è importante conoscere le distanze precise tra lo strato conduttivo e lo strato sottostante drogante e tra lo strato drogante e la superficie del campione. In contrasto tunneling, capacitanza non cade esponenzialmente ma invece decresce sostanzialmente in proporzione inversa alla distanza. Quindi, la profondità drogante potrebbe in teoria essere ancora più profondo di decine di nanometri sotto la superficie, fino a quando alcuni ragionevole frazione di terre campo elettrico sulla punta. Per tutti i suddetti criogenici sonde locali di comportamento elettronico, compresa la tecnica descritta qui, risoluzione spaziale è limitata dalla dimensione geometrica della punta e dalla distanza tra la caratteristica sottosuolo di interesse e la punta della sonda di scansione.

Protocollo

1. PROTOCOLLO

1. Configurazione iniziale del microscopio ed elettronica
   1. Iniziare con un criogenico-grado microscopio a scansione elettronica con sonda di controllo associati. I microscopi utilizzati per la ricerca descritta qui usa la traduzione inerziale a "camminare" il campione verso e lontano dalla punta lungo rampe ¹³ (fatto da un materiale conduttore come rame, ottone o acciaio inox per consentire loro di trasmettere tensione di polarizzazione al campione) come parte di un disegno Besocke STM ^14, schematicamente illustrato in figura 2.
   2. Oltre alla tensione di polarizzazione e fili coassiali corrente di tunnel, fornire almeno altri due fili coassiali e un filo di terra che si estendono dal rack dell'elettronica vicino alla zona punta del microscopio per azionare il circuito amplificatore criogenico per il rilevamento carica sensibili. Assemblare gli elementi del circuito amplificatore, descritta in dettaglio nel Bibliografia 5, 12, e 15, che sono alloggiati sulla electronics cremagliera, questa è la porzione del circuito fuori area ombreggiata nella figura 2. Questa parte del circuito rimarrà a temperatura ambiente durante l'esperimento.
2. Montare il chip di montaggio per la punta e circuito HEMT (casella ombreggiata in figura 2), il circuito HEMT sarà abbassato a temperatura criogenica di ottenere risoluzione ottimale di energia.
   1. Cleave un chip quadrato di dimensioni approssimativamente di 1 cm x 1 cm dal un wafer di GaAs utilizzando uno scriba, il circuito del sensore e la punta saranno montate su questo chip. Cassetta di circa 100 nm d'oro in cima a un titanio attaccare strato attraverso una shadowmask sul chip GaAs per formare diversi rilievi in ​​oro, ciascuno di dimensioni a circa 1 mm x 1 mm, a cui fili dal HEMT e la resistenza di polarizzazione saranno incollati. Le dimensioni degli elettrodi non sono critiche.
   2. Preparare una punta STM tagliente tagliando meccanicamente un 80:20 Pt: filo di Ir con tronchesine. La punta può anche essere preparato chimico acquaforte or un altro metodo o può essere acquistato in commercio. Determinare il raggio di curvatura della punta tramite microscopia elettronica a scansione, il raggio di curvatura deve essere dell'ordine della risoluzione spaziale necessaria per l'esperimento.
   3. Epossidica un filo d'oro su ciascuno dei pad dorati utilizzando epossidico conduttivo di sopportare temperature criogeniche; questi fili si collegheranno gli elementi del circuito sul chip di montaggio per i cavi coassiali sul microscopio. Poiché i fili d'oro possono essere facilmente rimossi dopo il passo successivo, se non sono necessari, epossi pochi fili d'oro ridondanti sulle pastiglie. Epoxy il HEMT, il resistore di polarizzazione, e la punta STM sulle GaAs chip di montaggio. Curare la resina epossidica come indicato nel suo foglio informativo del prodotto. (Vedere la tabella dei materiali sotto per i dettagli.)
   4. Utilizzo di un bonder filo caricato con filo d'oro, legame la fonte, scarico, e gli elementi cancello del HEMT per separare pad dorati sul chip GaAs. Obbligazioni collegamenti temporanei collegano il gate e source or rilievi di scarico al fine di garantire il cancello non diventi carico rispetto al canale source-drain. Utilizzare una cinghia di messa a terra per una maggiore sicurezza durante la manipolazione del HEMT, è importante prendere precauzioni per evitare l'introduzione di randagi cariche elettrostatiche che potrebbero distruggere il HEMT.
   5. Memorizzare il chip montaggio predisposta con i fili collegati al cancello e al canale source-drain del HEMT collegati elettricamente tra loro per evitare corto circuiti HEMT. Se i fili temporanee menzionate nella fase precedente sono stati rimossi, ruotare delicatamente i fili insieme. È semplice per collegare tutti i fili tra loro.
3. Attaccare il chip di montaggio al microscopio.
   1. Assicurarsi che i canali di gate e source-drain sono mai fluttuante, questo è per evitare cortocircuiti distruttive tra il cancello e source-drain canali del HEMT. Mettere a terra i cavi coassiali sul microscopio a cui verranno saldati i fili del chip.
   2. Fissare il chip di montaggio in cima tegli piezotube scansione, come mostrato in Figura 2.
   3. Saldare i fili d'oro estendono dal chip di montaggio per i cavi coassiali pertinenti utilizzando indio saldare.
4. Verificare l'integrità del HEMT utilizzando un tracciante curva collegata ai cavi coassiali a rack di elettronica. Essenzialmente, il tracciante curva mostra i source-drain caratteristiche corrente-tensione. La modalità di guasto più comune è una breve tra il cancello HEMT e il suo canale source-drain, che si traduce in caratteristiche source-drain insensibili alla tensione di gate.
5. Montare il campione. Camminare in campo con il microscopio configurata in modalità STM per garantire che il campione successo avvicinare la punta.
   1. Collegare il filo T al preamplificatore usato per STM tunneling misure di corrente e collegare DC tensione di polarizzazione V _DC per filo B. (Tutti i collegamenti sono realizzati presso il rack di elettronica.)
   2. A piedi fino a quando il campione e la punta sono in campo tunneling. Quando nel RAESN, il piezotube scansione dovrebbe rimanere esteso leggermente dalla sua posizione di equilibrio in modo che la messa a terra della piezotube scansione causerà la punta di ritirare dalla sua estensione in gamma. Ciò verifica che il campione può avvicinarsi correttamente la punta. Passeggiata fuori campo dopo aver fatto questo, per proteggere la punta durante le prossime azioni.
   3. Trasferire il microscopio dal laboratorio al banco dewar per eventuale funzionamento a bassa temperatura. A questo punto, la fase di test è completa e la fase sperimentale può iniziare.
6. Pompare fuori il microscopio ad un vuoto di pochi microtorr. Raffreddare il microscopio a 4,2 K o inferiore per la risoluzione ottimale di energia, seguendo la procedura descritta nel manuale per il criostato.
   1. Dopo raffreddamento il microscopio alla sua temperatura di base, concedere al microscopio sufficiente per raggiungere l'equilibrio termico; poiché ripetute, lunghe scansioni della stessa area saranno effettuate, è importante minimizzare la deriva termica. (Drift èuno spostamento nella posizione di equilibrio della punta rispetto al campione.)
   2. Sospendere il dewar di isolare il microscopio più possibile da vibrazioni dovute ad accoppiamento meccanico alla costruzione e alle pompe per vuoto e altri dispositivi collegati al microscopio e dewar. Questo può essere fatto utilizzando un sistema di sospensione corda elastica, come nel riferimento 15, oppure utilizzando molle ad aria o un metodo simile.
7. Dopo il raffreddamento del microscopio e prima di tentare di raccolta dati, verificare l'integrità del HEMT nuovamente utilizzando il tracciante curva.
8. Eseguire la scansione del campione in modalità tunnel (STM).
   1. Entrate in campo. Individuare una regione della superficie del campione che è libero da detriti e da un'altezza considerevole o variazioni di conducibilità, e garantire la punta è stabile.
   2. Corretta per qualsiasi inclinazione del campione, questo è particolarmente importante perché le scansioni di capacità saranno effettuati con il circuito di feedback disabilitato, quindi la punta potrebbe schiantarsi sulla superficie se la scanning piano non è parallelo alla superficie del campione. In linea di principio, si potrebbe utilizzare il segnale di capacitanza con feedback per mantenere una capacità costante durante la scansione della punta, tuttavia, in pratica, il segnale non è sufficientemente robusto per impedire un incidente se si utilizza retroazione.
   3. Osservare qualsiasi deriva termica in modo che possa essere compensata riposizionando compensato la punta. Notare la quantità di estensione della punta, mentre in gamma in modalità tunnel, di cui al presente protocollo come il punto di contatto.
9. Spostarsi in una zona imperturbata del campione, uno che non è stato sottoposto a scansione in modalità STM.
   1. Disabilitare l'anello di retroazione nel controllore STM. Ricordiamo che quando il circuito di feedback è disabilitato, movimenti manuali della punta potrebbe involontariamente causare un crash. Grande attenzione deve quindi essere preso mentre si muove la punta.
   2. Ritrarre la punta poche decine di nanometri dal punto di tocco.
   3. Compensare la posizione laterale della punta di una zona del campione WHI vicinach non è stato recentemente acquisito, per evitare eventuali perturbazioni (come la carica di siti droganti semiconduttore) la tensione di polarizzazione necessaria per attivare il tunneling attraverso il campione semiconduttore per la scansione STM può aver indotto.
   4. Cautamente estendere la punta verso la superficie fino a quando lo spostamento punta di estensione equilibrio è vicino in grandezza al punto di contatto.
10. Passa alla modalità di configurazione del cablaggio capacità.
    1. Collegare a terra tutti i cavi coassiali per proteggere il HEMT.
    2. Collegare i cavi coassiali alle sorgenti di tensione pertinenti e resistenze e al blocco amplificatore e il generatore di funzione, come mostrato in Figura 2.
    3. Accendere tutte le fonti di tensione. Per evitare di scioccare l'HEMT, iniziare con uscite della sorgente di tensione a 0 V.
    4. I cavi coassiali non macinato, ricordando di mantenere il gate e il canale di source-drain del HEMT collegate fra loro a lungo possibile al fine di proteggere la HEMT.
    5. Impostare la vsorgente oltage sul resistore partitore di tensione (filo D).
    6. Accordare la HEMT per la sua regione più sensibile attraverso il monitoraggio della tensione ai capi del filo L con un multimetro durante la regolazione V _sintonia. Riattaccare filo L alla amplificatore lock-in dopo.
    7. Aumentare V _tune finché il segnale in fase sulla serratura-in amplificatore aumenta e comincia a plateau; Registrare questo valore di V _melodia, che è la tensione applicata alla punta. In questo modo tutta la carica dalla misurazione per andare al HEMT invece di perdite attraverso il filo L.
    8. Ottimizzare la fase interna del amplificatore lock-in utilizzando la sua abilità Autophase e registrare il valore di fase.
    9. Attendere la HEMT di stabilizzare per garantire non ci sono effetti termici significativi (questo richiede spesso fino a due ore).
11. Bilanciare il HEMT regolando il segnale sul condensatore standard per garantire che solo il segnale di interesse va al amplificatore di blocco. Regolazioni del segnale sulcondensatore standard può essere fatto sia per l'ampiezza di _equilibrio V o alla fase relativa tra _equilibrio V e V _eccitazione. Il HEMT è considerato modulare quando il segnale in fase sul amplificatore di blocco è minimizzato in questa fase della procedura.
12. Eseguire la scansione di immagini accumulo di carica.
    1. Impostare la tensione di polarizzazione V _{DC DC} sul campione.
    2. Estendere la punta di 1 nm all'interno della superficie, utilizzando il punto di contatto come riferimento.
    3. Registrare l'uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati, questo è il segnale di interesse.
    4. Eseguire la scansione del campione. Avere buona risoluzione, le scansioni possono dover essere acquisita al tasso di diverse ore per scansione per consentire sufficiente media del segnale per ogni pixel e per prevenire sbavature del segnale attraverso pixel adiacenti dell'immagine. Eseguire varie scansioni sulla stessa area, e questi media scansioni insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore.
13. Eseguire capacitanza spettroscopia (CV) con la punta stazionaria sopra una caratteristica sottosuolo di interesse nell'immagine accumulo di carica acquisita durante il passaggio precedente.
    1. Rampa V _DC e registrare l'uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati.
    2. Richiedere diverse capacità vs tensione (CV) curve nella stessa posizione, e la media queste curve insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore. Tipicamente, un paio di curve sono mediati insieme. Mentre le curve media migliora il rapporto segnale-rumore, a causa del potenziale di deriva durante le scansioni, solo una manciata di scansioni successive necessario calcolare una media insieme.
14. Tornare alla modalità tunnel (STM).
    1. Ritrarre la punta alla sua estensione equilibrio e riconfigurare l'elettronica per STM. Riattivare il ciclo di feedback e registrare il presente in gamma-estensione della punta (punto di contatto).
    2. Eseguire la scansione della zona in modalità tunneling per cercare le caratteristiche in cimafia che può aver generato artefatti nella capacitanza di imaging e spettroscopia capacitanza.
15. Analizzare e interpretare i dati, a seguito di riferimento 9 e le informazioni a sostegno di riferimento 1.

Risultati

L'indicatore principale di una misura di successo è la riproducibilità, tanto come in altri metodi a scansione di sonda. Misurazioni ripetute sono molto importanti per questo motivo. Per spettroscopia capacitanza punto, prendendo molti misurazioni in successione nella stessa posizione contribuisce ad aumentare il rapporto segnale-rumore e identificare segnali spuri.

Una volta che una caratteristica di interesse è stato identificato all'interno dell'immagine accumulo di carica ...

Discussione

Una spiegazione dettagliata della base teorica per questo metodo sperimentale è dato in Riferimenti 8 e 9 e discusso rispetto allo scenario di droganti nel sottosuolo di riferimento 2; la panoramica qui presentata sarà pertanto essere breve e concettuale. La punta è trattato come una piastra di un condensatore, e lo strato conduttore sottostante il campione comprende l'altra piastra. Se viene applicata tensione DC in modo elettroni sono tirati verso la punta, e se vi è un atomo di drogante situata tra il sottost...

Materiali

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