すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

要約

走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

要約

ドーパントの小さな数字がデバイスのプロパティを制御することができますスケールに半導体デバイスの微細化には、そのダイナミクスを特徴付けることができる新たな技術の開発が必要です。単一ドーパントの調査と、走査トンネル顕微鏡 (STM) の使用に動機を与えるサブナノ空間分解能が必要です。ただし、従来 STM は、ミリ秒時間分解能に限定されます。いくつか方法は、ナノ秒単位の精度を持つシリコンのドーパントのダイナミクスを調べる本研究で使用されているすべての電子の時間分解 STM を含む、この欠点を克服するために開発されています。ここで示される方法は広くアクセス可能なさまざまなダイナ ミックスを原子スケールでのローカル測定を可能にします。小説時間分解走査トンネル分光法を提示、ダイナミクスを効率的に検索するために使用します。

概要

走査型トンネル顕微鏡 (STM) 原子スケール地形と電子構造を解決する能力のためのナノサイエンスのプレミア ツールとなっています。従来 STM の制限の 1 つは、ただし、現在プリアンプ¹の限られた帯域幅のための時空間解像度をミリ秒タイム スケールに限定されることです。それは長い原子過程がよく発生するスケールを STM の時間分解能を拡張するための目標をされています。時間分解走査トンネル顕微鏡 (STM-TR) フリーマンらによって先駆的な作業します。¹は、光導電スイッチとマイクロ ストリップ線路のトンネル接合するピコ秒電圧パルスを送信するサンプルのパターンを活用しました。このジャンクション混合技法は、1 nm と 20 ps²の同時解像度を達成するために使用されていますが、それは広く採用されている特殊なサンプルの構造を使用しての要件のため。幸いにも、これらの作品から得た基本的な洞察力は多く時間分解テクニックに一般化できます。STM の回路の帯域幅が複数のキロヘルツに限られているにもかかわらず、STM における非線型 I(V) 応答は多くのポンプ ・ プローブ サイクルで得られた平均トンネル電流を測定することによりプローブの高速ダイナミクスをできます。その間、多くのアプローチが検討されている、最も人気のある、以下の見直しについて簡単にします。

動揺パルス ペア-励起 (時間) STM は、トンネル接合を直接照明とエキサイティングなキャリア サンプル³のサブピコ秒の分解能を達成するために超高速パルスレーザ技術の進歩の活用します。入射レーザー光が一過性伝導を高める無料のキャリアを作成し、ポンプ ・ プローブ (t_d) 間の遅延の変調により d の私/dt_dロックイン アンプで測定します。ポンプとプローブの間の遅延は、他の多くの光学的アプローチのように、レーザーの強度ではなく変調ので時間 STM は、ヒント³の写真照明による熱膨張を回避できます。このアプローチの最近の拡張は、ポンプ-プローブ遅延時間⁴の範囲を拡大するパルス ピッキングのテクニックを用いたダイナミクスを調べるに使用できます時間 STM をタイム スケールを拡張しています。重要なは、この最近の開発には、数値積分ではなく直接私(t_d) 曲線を測定する機能も提供します。時間 STM の最近のアプリケーションにシングル キャリア再結合の研究が含まれている (Mn, Fe)/GaAs(110) 構造 GaAs⁶⁵とドナーのダイナ ミックス。時間 STM のアプリケーションいくつかの制限に直面します。時間 STM 測定信号光パルス励起自由キャリアによって異なります、半導体に最適です。さらに、トンネル電流が、先端に局地的大面積の光パルスによって興奮しているので、信号はローカル プロパティと物質輸送の畳み込み。最後に、接合部のバイアスは、研究挙動に光誘起測定タイム スケールで固定されます。

最近の光学技術、テラヘルツ STM (THz STM)、STM 探針の接合部に焦点を当てたフリー スペース THz パルスをカップルします。異なり、時間 STM で結合パルスのサブピコ秒解像度⁷と電子的に駆動の励起の調査を可能にする高速な電圧パルスとして動作します。興味深いことに、整流電流による thz 電磁波のパルスから結果アクセスできない極端なピーク電流密度で従来 STM^8,9。最近では Si(111)-(7x7)⁹におけるホット エレクトロンを勉強し、イメージの¹⁰単一のペンタセン分子の振動技術が使用されました。THz パルスは、当然のことながら先端にカップル、しかし、STM 実験 THz 光源を統合する必要性が多くの実験者に挑戦する可能性があります。これは、他の広く適用可能で、容易に実装可能な技術の開発を動機します。

2010 年、メノイティウスら¹¹は、ナノ秒電圧パルス DC オフセットの上に電子的に適用がポンプし、プローブ システム¹¹のすべての電子技術を開発しました。この技術の導入は、以前無視された物理学を測定する時間分解 STM の明確かつ実用的なアプリケーションの重要なデモを提供しています。それを先立つ STM を混合接合として早くは無いは STM 探針にマイクロ波パルスを適用することを検討する任意のサンプルを許可します。この手法では、複雑な光学的方法または STM 接合部に光アクセスを必要はありません。低温 STMs に適応する最も簡単な方法になります。これらの技術の最初のデモは、ポンプ パルス¹¹によって励起されたスピン状態の緩和ダイナミクスを測定するスピン偏極 STM を用いてスピンダイナミクスの研究に適用しました。¹⁵の状態し、電荷ダイナミクスの離散ミッド ギャップからキャリア捕捉率の調査に拡張されて以来最近まで、応用磁気吸着システム^12,13,14に残った限定ですが、シリコン^15,16の単一ヒ素ドーパント。後者の研究は、この作品の焦点です。

半導体における単一ドーパントの性質に関する研究最近注目されている重要な相補的金属酸化物半導体 (CMOS) が政権に入る今単一ドーパントがデバイスのプロパティ^{17 に影響を与えることができるので}.さらに、いくつかの研究は、単一ドーパントが将来のデバイスの基本的なコンポーネントとして、たとえば¹⁸量子計算と量子メモリ¹⁹、量子ビットとして、単一原子トランジスタ²⁰として役立つことができることを実証しています。^,15. 将来のデバイスも STM リソグラフィ²¹原子精度でパターン化することができます債券 (DB) をぶら下がっているシリコンなどの他の原子欠陥を組み込む可能性があります。このために、DBs は電荷量子ビット²², 量子ドット量子セルオート マトンのアーキテクチャ^23,24、および原子ワイヤー^25,26として提案されているし、を作成するパターン化されています。量子ハミルトニアン ロジック ゲート²⁷と人工分子^28,29。今後は、デバイスは、単一ドーパントと DBs の両方を組み込むことができます。DBs は表面欠陥の簡単に STM を用いた特徴し、単一ドーパント デバイスを特徴付けるためにハンドルとして使用することができますので、これは魅力的な戦略です。この戦略の例として DBs は、地表付近のドーパントの充電のダイナミクスを推論する、充電センサーとしてこの作品で使用されます。これらのダイナ ミックスが TR STM は避けてらが開発した技術から適応する方法がすべて電子の使用が記録されます。¹¹

測定は、水素終端処理した Si(100)-(2x1) 表面上の Db を選択で実行されます。約 60 の拡張ドーパント空乏領域³⁰結晶の熱処理によって作成される水面下 nm DB と一括バンドからいくつかの残り表面近くのドーパントを分離します。DBs の STM 観察のコンダクタンスはドーパントの温度・濃度などのグローバル サンプルのパラメーターに依存しているが、個々 の DBs もローカル環境¹⁶によって強い変化を表示を発見しました。単一 DB 上 STM 測定、時に電流の流れは DB (Γ_バルク) に一括と先端 (Γ_先端) に DB からの電子でトンネルできます率によって支配される (図 1)。ただし、DB の伝導がローカル環境に敏感であるので近くドーパントの荷電状態の影響Γ_バルク(図 1 b) を DB のコンダクタンスを監視することによって推定することができます。その結果、DB のコンダクタンス近くドーパントの電荷状態を感知するためとドーパントが、料金一括 (Γ_LH) からの電子を供給する使用ことができ、STM 探針、彼らを失う (Γ_{HL )。これらのダイナ ミックスを解決するには、周りで先端は表面近傍の不純物のイオン化を誘発するしきい値電圧 (V木) TR STS が実行されます。ポンプ ・ プローブのパルスの役割は、ここで紹介 3 時間分解実験的手法で同じです。ポンプ一過性上をもたらしますバイアス レベル下からVthr、ドーパント イオン化を誘導します。これは次のより低いバイアスにプローブのパルスによってサンプリングされた DB のコンダクタンスを増加します。}

このペーパーで説明したテクニックで STM を用いたナノ秒タイム スケールにミリ秒単位で発生するダイナミクスを特徴付けるしたい方お越しください。これらの技術は、電荷ダイナミクスを勉強に限定されない、STM (すなわち合衆国の上または表面近く) によって検出できる状態のコンダクタンスの非定常変化を介してダイナミクスが現れていることが重要です。プローブ パルスのデューティ サイクルはシステム ノイズ ・ フロアよりも小さい (通常一時的な状態のコンダクタンスがないと著しく異なる場合平衡状態から過渡平衡電流の違いを掛けたように1 pA)、信号がノイズで失われる、この手法では検出されません。本稿で説明した手法を実行するために必要な市販の STM システムの実験的変更は控えめなので、これらの技術は広くコミュニティにアクセス可能になりますが予想されます。

プロトコル

1 顕微鏡と実験の初期セットアップ

1. そもそも、超高真空極低温対応 STM および制御ソフトウェアを関連付けられています。極低温走査トンネル顕微鏡をクールします。
   メモ: このレポートで超高真空を達成するためのシステムを参照 < 10 x 10^-10 Torr。STM; 極低温に冷却されるべきこれは、適度な温度で熱活性化されるドーパントの電荷ダイナミクスを調査するときに特に重要です。他の部屋は、室温であります。
2. STM 探針は高周波配線 (〜 500 MHz) 装備されていることを確認します。
   注: パルス整形メソッドを使用して、標準的な極低温同軸配線 (~ 20 MHz) と STM の時間応答の大幅な増加によって報告されている Grosseら³¹
3. ポンプ ・ プローブ実験用電圧パルス対のサイクルの準備するために使用されます (図 2) の先端に少なくとも 2 つのチャネルを任意関数発生器を接続します。
4. ポンプ ・ プローブの電圧パルスが個別に生成され、先端に渡す前にまとめたように、任意関数発生器を構成します。
5. サンプル (V_DC) をイメージングおよび従来の分光用 DC バイアスを適用します。
6. 2 つの高周波スイッチを任意関数発生器の出力チャンネルに接続します。
7. STM イメージングおよび従来の分光法の中に先端を接地され、効果的なバイアスはV_DC + V_チップポンプ ・ プローブ実験 (図 4 a) の間にできるようにスイッチを構成します。
8. トンネルのサンプルに接続されているプリアンプを介してすべての測定のための電流を収集します。

2. H-Si(100)-(2x1) の再構築の準備

1. 炭化ケイ素スクライバーとウェハの背中を掻くと優しくガラス顕微鏡スライドをウェハからサンプルをスナップで 3-4 mΩ·cm n 型ヒ素をドープした si (100) ウェーハからサンプルを切断します。
2. STM ホルダーにサンプルを添付し、STM の商工会議所に隣接する超高真空チャンバーを紹介します。
3. 抵抗 (サンプルの温度を監視する温度計を使用することができます) 600 ° C に加熱して超高真空で少なくとも 6 時間その温度に保持してサンプルをドガします。
   注: サンプルとサンプル ホルダー ガス抜きが基本圧近傍で安定するはずの圧力が上昇最初 (< 10^-10 Torr) 数時間後。
4. 続行する前に室温に冷却するサンプルを許可します。
5. 抵抗 1800 ° C にフィラメントを加熱し基本圧力を回復するシステムを待っているサンプルと同じチャンバーにタングステン フィラメントをドガします。続行する前に、フィラメント電源を切ります。
   注: サンプルすることができるために残る商工会議所このステップの間にそれがパッシベーションされるとその表面の自然酸化膜層によって、この手順から生じるサンプル表面の汚染はその後削除されます。フィラメントの温度は、特定の電流/電圧、温度計を使用してフィラメントに適用する校正する必要があります。
6. 900 ° C にサンプルを点滅し、10 の温度で保持してサンプル表面から酸化物を削除室温に冷却する前に s。圧力は、点滅する手順中に基本圧力からの大きさのいくつかの注文を増加します。このプロシージャ全体が点滅の後、部屋の温度、続行する前に基本の圧力に復旧するシステムを冷却するためのサンプルを待ちます。
   注: 点滅は加熱と冷却と高いランプ速度を 100 サンプルとしてこのレポート内で定義された ° C/s。
7. 徐々 に 1250 ° c. の最後のフラッシュを達成するため高温にサンプルをフラッシュします。どこの圧力を超える 9 x 10^-10 Torr サンプル表面の汚染を得ることを防ぐために任意のフラッシュを中止します。1250 ° C (2.6 の手順で加熱したフィラメントによって放たれる光は試料の温度の正確な読書を与えることから、温度計を防ぐため、この setpoint があるため) フラッシュを達成するために使用される電圧・電流を記録します。最後のフラッシュに 330 ° C にサンプルを冷却すると結晶として熱に必要な電圧・電流を確認した後、室温に冷却し、続行する前に基本圧力回復システムのサンプルを聞かせてください。
8. 1 x 10^-6 Torr の圧力で商工会議所に H₂ガスをリークし、1800 ° C にタングステン フィラメントを加熱
   注: これは atmoic 水素³²H₂を割れの効果があります。
9. 1250 ° c_、 5 の温度で保持してサンプルをフラッシュする前にこれらの条件を 2 分間でサンプルを保持する s、および 330 ° C に冷却
10. 330 ° c の露出の 1 分後に、同時に H₂リーク バルブを閉め、タングステン フィラメントをオフに、部屋の温度にサンプルを冷ます。
    注: これらの高いフラッシュ温度サンプル中のドーパント分布に影響を与えます。1250 ° C に加熱はサンプル表面³⁰近く 〜 60 nm ドーパント空乏領域を誘導するために発見されています。
11. サンプルの品質を確認するには、表面の STM 像を撮影します。
    注意: 良いサンプルは大きい、(> 30 nm x 30 nm) の不良率とテラス < 1% (債券、吸着、吸着等をブラブラ) デモンストレーションを古典的な Si(100)-(2x1) 復興³², ダイマー列があると互いにステップ エッジ (図 3 b) の間で平行を実行します。

3. トンネル接合のポンプ ・ プローブ パルスの品質を評価します。

1. 50 pA の現在 setpoint と-1.8 V のサンプル バイアス電流フィードバック コント ローラーを魅力的な STM 探針を試料表面に近づきます。
   注: これらの条件の下で先端と推定される < 1 試料表面から nm。STM 探針を使った作品は、多結晶タングステンを化学的にエッチングによって製作されました。それは Rezeqらによく記載されているプロシージャをエッチング窒素を使用してさらに研ぎ澄まされました。³³。
2. 広域スキャン (例えば、 50 nm x 50 nm) で大規模な表面欠陥から無料サンプル表面の領域を探します。
3. STM の位置は転倒 H-Si 表面上における STM 像 (図 3 b) ダイマー列として表示されます。
4. 現在のフィードバック コント ローラーをオフにします。
5. -1.0 V V_DC 、-0.5 V V_ポンプ、-0.5 V V_プローブ200 にポンプ ・ プローブのパルスの幅を設定、ns と 2.5 にパルスの立上り/立下り時間 ns (図 4 a)。
6. ポンプ ・ プローブの相対遅延は-900 から掃引、ポンプ ・ プローブのパルスの列車のシリーズを送信 900 に ns ns。
7. トンネル電流ポンプ プローブまでの時間の関数としてプロットします。それは可能性が高い強いリンギング (ポンプ ・ プローブのパルスは、図 4 b間の相対遅延の関数として現在のトンネルの振動) を示します。
   注意: Python と起源のソフトウェアは、プロット、分析、およびこの原稿の収集したデータを評価する使用されました。
8. 3.1-3.5 の手順を繰り返しますが、パルスの立上り/立下り時間を増加します。立上り/立下り時間が増加しており、減少リンギングします。
   注: 最も正確な分光学的結果を提供するリンギングを排除するほうが望ましいが、これらの技術の時間分解能は、使用するパルスの幅に制限。25 ns の立上り時間は、この作品に使用されました。

4 時間分解走査トンネル分光法 (STS-TR)

1. STM の位置先端シリコン DB、負のチップ-試料バイアス (図 3 b) で明るい突起として表示されます。
2. STM 電流フィードバック コント ローラーの電源を切ります。
3. 25 kHz の繰り返し率プローブ パルスのみで構成される列車を送信します。パルス列のシリーズ、以上 500 の範囲でプローブのパルスのバイアスを掃引-1.8 V の DC バイアスから mV。
   注: この簡単な実験は、従来の STS バイアスの範囲にわたってコンダクタンスをサンプリングする場所に似ています。
   1. なること、結果のスペクトルの信号対雑音比 (それぞれ異なるバイアス) パルス列の時間を構成する > 10。
4. 電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのV_DC + V_ポンプ> V_木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、500 V_DC、 Vの_ポンプ、およびV_thrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。
   注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。
5. 電車から成る 10 の遅延が続いてプローブ パルス ポンプ ・ パルスを送信 ns。これらの実験で 500 ポンプ パルスの振幅を設定 mV とプローブ パルスのスイープを 50 から 500 の mV。
   注: この実験では、プローブのパルス、サンプリング従来 STS にサンプリングする平衡状態よりもむしろポンプ パルスにより作製した状態です。
   1. このステップから収集された信号を表示する/評価するときポンプ パルスのみが適用されたときに得られた信号を減算します。
6. プローブのみを比較し、同じグラフでそれらをプロットすることによってポンプ + プローブ信号します。2 つの信号の任意の履歴は、ダイナミクスを時間分解 STM 技術で検出できるの示します。
   注: 固定プローブのパルスの範囲を維持し、粗く DC をスキャンによって、(0.25 V ステップで、たとえば)、オフセット 1 はこのダイナミクス技術にアクセスできるを識別するサンプルの全体のエネルギー範囲にマップ効率的にできます。実験によってパルス持続時間を変更できます。ポンプ光パルスの幅は、それは一貫して、不純物をイオン化されるようにドーパントがイオン化され、速度を超える必要があります。一般に、プローブの期間必要があります研究、動的なプロセスと同じ順序のなど 2 コンダクタンス状態の平均値をサンプリングなし最大信号で測定することができます。ダイナミクスでエネルギーを探して存在する場合は、そのヒステリシスを強化するシステムの 1 つだけの状態を測定プローブの期間を最小化をお勧めします。緩和時間の定数が見つかったら、信号対雑音比を改善するために、プローブのパルスの持続時間が増やせます。

5. 時間分解 STM 緩和ダイナミクスの測定

1. シリコン DB 上 STM 探針を置き、STM 電流フィードバック コント ローラーをオフにします。
2. 電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのV_DC + V_ポンプ> V_木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、400 V_DC、 Vの_ポンプ、およびV_thrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。
   注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。
3. ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さく、ヒステリシスで範囲に匹敵するが発生することを確認 (V_プローブ< V_ポンプ、 V_プローブ+ V_DC≈V_復元力)。
4. 数十 μ s までポンプ ・ プローブのパルス間の遅延時間を掃引します。
5. ポンプ光パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。これらの実験に-1.8 V、400 V_DC、 Vの_ポンプ、および V の_プローブを設定 mV と 210 mV、それぞれ。相対遅延掃引を-5 μ s から 35 μ s に設定します。
   注: から得られる信号前のステップがよく合う (R² > 0.80) 単一の指数関数的減衰関数によって、ポンプ光パルスによる非定常状態の寿命から抽出できますフィット。

6. 時間分解 STM 励起ダイナミクスの測定

1. 電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのV_DC + V_ポンプより大きい > V_木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験でV_DCとV_thr -1.8 V、-2.0 V、それぞれ設定します。V_ポンプ220 ~ 450 mV の間を設定します。
2. 数ナノ秒から数百ナノ秒にポンプ パルスの時間を掃引します。
3. ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さくしてくださいヒステリシスで範囲に匹敵するに発生します (V_プローブ< V_ポンプ、 V_プローブ+ V_DC≈V_復元力)。これらの実験で 210 Vの_プローブを設定 mV。
4. プローブ パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。
   メモ: 得られた信号が指数関数の場合それをポンプ光パルスが、フィットから抽出することができますレートで過渡状態 (ドーパント) を準備している (R²> 0.80)。上記で説明したプロトコルは実験とその装置の記載に固有です。他のシステムの研究、独自の実験のセットアップをカスタマイズする読者のための多くの潜在的な道があります。一般的な手法は低温冷却 STMs; に限定されないなど、先端素材を使用ことができますと窒素エッチングは必要ありません。さらに、適切にプログラムされた任意関数発生器は、2 つの独立したチャネルを合計する必要性を否定するでしょう、二重パルス波形を生成する使用できます。最後に、帯域幅の低いケーブル使用³¹可能性があります。

結果

テキストのこのセクションに示された結果は、以前に発行された^15,16をされています。選択例の動作を図 3に示します従来 STM を用いた DB。V_thrで DB のコンダクタンスの急激な変化を明確に示しています従来 I(V) 測定 (図 3 a)-2.0 V を =。DB がそれぞれに明るい突起、点...

ディスカッション

TR STS ポンプ パルスは適用されませんのバリアントは、継続的ではなく高周波でサンプリングされているシステムが従来の STS に匹敵します。プローブ パルスの期間が適切な場合 (>Γ_LH)、TR STS 信号なしで従来の STS と正確に一致する実験のデューティ サイクルに比例定数をポンプ光パルスを乗算できますを取得測定。測定は、ロックイン アンプ、低域通過フィルターの使用に?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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