-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

Resumo

Espectroscopia de capacitância de um único elétron-sonda de digitalização facilita o estudo do movimento de um único elétron em regiões subterrâneas localizadas. Um circuito de detecção de carga sensível é incorporado numa sonda de digitalização criogénico microscópio para investigar pequenos sistemas de átomos dopantes sob a superfície das amostras de semicondutores.

Resumo

A integração de técnicas de varredura por sonda de baixa temperatura e espectroscopia de capacitância de um único elétron representa uma ferramenta poderosa para estudar a estrutura quântica electrónica de pequenos sistemas - incluindo dopantes atômicas individuais em semicondutores. Aqui apresentamos um método baseado em capacitância, conhecido como Subsurface carga Acumulação (SCA) de imagem, que é capaz de resolver a carga de um único elétron ao conseguir a resolução espacial suficiente para imagem dopantes atômicas individuais. A utilização de uma técnica de capacitância permite a observação das características do subsolo, como contaminantes enterrados muitos nanómetros sob a superfície de um material semicondutor ^1,2,3. Em princípio, esta técnica pode ser aplicada a qualquer sistema para resolver o movimento de electrões a seguir uma superfície isolante.

Tal como em outras técnicas de sonda de campo eléctrico digitalizada sensíveis ^4, a resolução espacial lateral da medição depende, em parte, o raio de curvature da ponta da sonda. Utilizando pontas com um pequeno raio de curvatura pode permitir a resolução espacial de umas poucas dezenas de nanómetros. Esta resolução espacial fina permite investigações de números pequenos (até um) de dopantes subsuperfície ^1,2. A resolução da carga depende muito da sensibilidade do circuito de detecção de carga, utilizando transistores de electrões de alta mobilidade (HEMT) em tais circuitos, a temperaturas criogénicas permite uma sensibilidade de cerca de 0,01 Hz / electrões ^½ a 0,3 K ^5.

Introdução

Acumulação de imagem de carga subsuperfície (SCA) é um método de baixa temperatura capaz de resolver os eventos de carga de um único elétron. Quando aplicada ao estudo de átomos dopantes em semicondutores, o método pode detectar electrões individuais entram átomos doadores ou aceitador, o que permite a caracterização da estrutura quântica destes sistemas minutos. Na sua essência, SCA de imagem é um local de medição de capacitância ⁶ adequado para operação criogênica. Porque capacitância é baseado no campo elétrico, é um efeito de longo alcance que pode resolver o carregamento sob isolamento superfícies ^6. Operação criogênica permite a investigação de movimento de um único elétron e espaçamento nível quântico que seria insolúvel à temperatura ambiente ^1,2. A técnica pode ser aplicada a qualquer sistema em que o movimento de electrões a seguir uma superfície de isolamento é importante, incluindo as dinâmicas de carga em sistemas de electrões bidimensionais nas interfaces enterrados ^7, por brevidade, o foco aqui será em estudos de dopantes semicondutores.

No nível mais esquemática, esta técnica trata a ponta digitalizada como uma placa de um condensador de placas paralelas, embora a análise realista requer uma descrição mais detalhada para a conta para a curvatura da ponta ^8,9. A outra placa neste modelo é uma região nanoescala da camada condutora subjacente, conforme mostrado na Figura 1. Essencialmente, tal como uma carga de entrada de um contaminante em resposta a uma tensão de excitação periódica, que fica mais perto da ponta, o que induz o movimento da imagem mais carga na ponta, que é detectada com um circuito de sensor ^5. Da mesma forma, como a carga sai do dopante, a carga na ponta da imagem é reduzida. Assim, o sinal periódico de carga em resposta à tensão de excitação é o sinal detectado - essencialmente é a capacitância, assim esta medição é frequentemente referida como a determinação das características do sistema de CV.

tenda "> Durante a medição de capacitância, o túnel só net é entre a camada condutora subjacente ea camada dopante -. taxa nunca túneis diretamente na ponta A falta de tunelamento ou da ponta direta durante a medição é uma importante diferença entre esta técnica e da microscopia de tunelamento mais familiar, embora a maior parte do hardware para este sistema é essencialmente idêntico ao de um microscópio de varredura por tunelamento. Também é importante notar que a SCA de imagem não é diretamente sensível a cargas estáticas. Para investigações de carga estática distribuições, Kelvin sonda de microscopia ou microscopia de força eletrostática digitalização é apropriado métodos criogênicos adicionais para examinar o comportamento eletrônico locais existem que também têm boa resolução eletrônica e espacial;., por exemplo, microscopia transistor único eletrônica de varredura é um outro método de varredura por sonda capaz de detectar minutos de carga efeitos ^4,10. SCA imagem foi originalmentedesenvolvido no MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, e co-trabalhadores ^7, além disso, o método descrito aqui pode ser considerado como uma versão do método de espectroscopia de capacitância Single-Electron desenvolvido por Ashoori e colaboradores ¹¹ sonda de varredura. Um elemento-chave da medição é um circuito de detecção de carga extremamente sensível ^5,12 usando transistores de elétrons de alta mobilidade (HEMT), que pode atingir um nível de ruído tão baixo quanto 0,01 elétrons / Hz ^½ de 0,3 K, a temperatura da base do criostato em 5 de Referência. Essa alta sensibilidade permite a observação de carga de um único elétron em sistemas subsuperficiais. Este método é adequado para o estudo da dinâmica de elétrons ou de buracos individuais ou pequenos grupos de dopantes em semicondutores, com densidades de área dopantes típicos da ordem de 10 ¹⁵ m ^-2 em uma geometria plana ^2. Um exemplo de uma configuração de exemplo típico para este tipo de experiência é apresentado na Figura 1 . A camada de contaminante é geralmente posicionada de algumas dezenas de nanómetros abaixo da superfície, é importante conhecer as distâncias exactas entre a camada condutora subjacente e a camada de contaminante, e entre a camada de contaminante e a superfície da amostra. Em contraste com a construção de túneis, capacitância não cair exponencialmente, mas sim essencialmente diminui na proporção inversa da distância. Assim, a profundidade de contaminante pode, em princípio, ser ainda mais profundo do que dezenas de nanómetros de baixo da superfície, enquanto alguns fracção razoável de terras de campo eléctrico na ponta. Para todos os testes acima referidos locais criogénicos de comportamento electrónico, incluindo a técnica aqui descrita, a resolução espacial é limitado pelo tamanho geométrico da ponta e pela distância entre a característica de interesse do subsolo e a ponta da sonda de varredura.

Protocolo

1. PROTOCOLO

1. A configuração inicial do microscópio e eletrônica
   1. Comece com uma criogênico com capacidade de microscópio de varredura por sonda com sistema eletrônico de controle associados. Os microscópios usados ​​para a pesquisa aqui descritos utilizam tradução inercial para "caminhar" a amostra em direcção e para longe da ponta ao longo de rampas ¹³ (feitos de um material condutor tal como cobre, latão, aço inoxidável ou, para permitir que eles transmitem para a tensão de polarização amostra) como parte de um desenho STM Besocke ^14, esquematicamente mostrado na Figura 2.
   2. Em adição à tensão de polarização e de encapsulamento actuais cabos coaxiais, proporcionar, pelo menos, dois outros cabos coaxiais e um fio de terra, que se estendem a partir da prateleira electrónica para perto da zona da ponta do microscópio a fim de activar o circuito amplificador criogénico para a detecção de carga sensível. Montar os elementos do circuito de amplificação, descrito em pormenor nas Referências 5, 12 e 15, que estão alojados no eLECTRONICS cremalheira, o que representa a porção do circuito fora da caixa a sombreado na Figura 2. Esta parte do circuito irá permanecer à temperatura ambiente durante todo o experimento.
2. Montar o chip de montagem para a ponta e o circuito HEMT (caixa a sombreado na figura 2), o circuito HEMT será reduzido até à temperatura criogénica para obter resolução de energia óptima.
   1. Cleave um chip quadrado avaliou aproximadamente 1 cm x 1 cm de um wafer GaAs usando um escriba; circuito do sensor e ponta será montado neste chip. Depósito de aproximadamente 100 nm de ouro sobre uma camada de titânio que adere através de uma máscara perfurada para o chip de GaAs para formar várias bases de ouro, cada um de tamanho aproximadamente 1 mm x 1 mm, destinadas a que os fios a partir da resistência de polarização HEMT e serão coladas. As dimensões das pastilhas não são críticas.
   2. Prepare uma ponta do STM afiada cortando mecanicamente um 80:20 Pt: Fio Ir usando cortadores diagonais. A ponta também pode ser preparado por ataque químico or outro método, ou pode ser adquirido comercialmente. Determinar o raio de curvatura da ponta através de microscopia electrónica de varrimento, o raio de curvatura deve ser da ordem da resolução espacial necessária para o experimento.
   3. Epóxi de um fio de ouro em cada uma das almofadas de ouro utilizando epóxi condutora capaz de resistir a temperaturas criogénicas, estes fios vai ligar os elementos do circuito do chip para a montagem dos cabos coaxiais no microscópio. Uma vez que os fios de ouro pode ser facilmente removido após o próximo passo, se não forem necessários, epóxi alguns fios de ouro redundantes para as almofadas. Epoxi a HEMT, a resistência de polarização, e a ponta do STM para os GaAs montagem chip. Cure o epóxi, conforme indicado na sua folha de informação do produto. (Veja a tabela de materiais abaixo para detalhes).
   4. Usando um fio Bonder carregado com fios de ouro, ligação a fonte, dreno, e elementos Portão do HEMT para separar bases de ouro no chip GaAs. Obrigações fios temporários conectando a porta e fonte or almofadas de drenagem para assegurar o portão não se torna carregada em relação ao canal de dreno-fonte. Use uma pulseira de aterramento para maior segurança ao manipular o HEMT, é importante tomar precauções para evitar a introdução de cargas estáticas vadios que poderiam destruir o HEMT.
   5. Armazenar o chip montagem preparada com os fios ligados à porta e para o canal de dreno-fonte do HEMT ligados electricamente uns aos outros para evitar o curto-circuito HEMT. Se os fios temporários mencionadas no passo anterior foram removidos, girar cuidadosamente os fios juntos. É simples de ligar todos os fios a um outro.
3. Ligue o chip de montagem ao microscópio.
   1. Certifique-se de que os canais de gate e fonte-dreno nunca são flutuantes, o que é para evitar calções destrutivas entre os canais do HEMT gate e fonte-dreno. Os fios de ligação à terra coaxial no microscópio para que os fios da ficha será soldada.
   2. Apor o chip de montagem em cima de tele piezotube digitalização, conforme mostrado na Figura 2.
   3. Solda os fios de ouro que se prolongam a partir do chip de montagem para os cabos coaxiais pertinentes utilizando índio solda.
4. Verificar a integridade do HEMT usando um marcador curva ligada aos cabos coaxiais na prateleira electrónica. Essencialmente, o tracer curva mostra a fonte de fuga de tensão características atuais. O modo mais comum de falha é um curto-circuito entre o portão HEMT e seu canal dreno-fonte, o que resulta em características de fonte-dreno, que são insensíveis à tensão da porta.
5. Monte a amostra. Andar em série com o microscópio no modo de STM configurada para assegurar que a amostra irá abordar com sucesso da ponta.
   1. Conecte o fio T para o pré-amplificador usado para medições de corrente de tunelamento STM, e anexar DC viés tensão V _DC a fio B. (Todas as ligações são feitas no rack de eletrônica.)
   2. Caminhe até que a amostra ea ponta estão na faixa de tunelamento. Quando, em raESL, o piezotube varredura deve permanecer ligeiramente alargado a partir de sua posição de equilíbrio para que o aterramento do piezotube digitalização fará com que a ponta para retirar de sua extensão no alcance. Isto verifica-se que a amostra pode aproximar-se com sucesso a ponta. Andar fora da faixa depois de fazer isso, para proteger a ponta durante as próximas ações.
   3. Transferir o microscópio da bancada de laboratório para o Dewar de funcionamento de baixa temperatura final. Neste ponto, a fase de testes é completa e a fase experimental, pode começar.
6. Bombeia o microscópio para um vácuo de alguns microtorr. Resfriar o microscópio para 4,2 K ou abaixo para a resolução de energia ideal, seguindo o procedimento descrito no manual para o criostato.
   1. Depois de arrefecer o microscópio para a sua temperatura de base, permitir que o tempo suficiente para atingir o equilíbrio microscópio térmico; utilizadas, desde longos scans da mesma área será executada, é importante minimizar o desvio térmico. (Tração éuma mudança na posição de equilíbrio da ponta em relação à amostra.)
   2. Suspender o Dewar para isolar o microscópio, tanto quanto possível através de vibrações, devido ao acoplamento mecânico para a construção e para as bombas de vácuo e de outros dispositivos ligados ao microscópio e Dewar. Isto pode ser feito usando um sistema de suspensão de corda elástica, tal como na referência 15, ou usando fontes de ar ou um método semelhante.
7. Depois de arrefecer o microscópio e antes de tentar a recolha de dados, verificar a integridade da HEMT novamente usando a curva de traçador.
8. Digitalizar o exemplo no modo de tunelamento (STM).
   1. Ande em alcance. Localize uma região da superfície da amostra, que é livre de detritos e de altura substancial ou variações de condutividade, e garantir a dica é estável.
   2. Corrigir qualquer inclinação da amostra, isto é especialmente importante porque a capacitância verificações vai ser realizada com o loop de feedback desactivado, pelo que a ponta pode colidir com a superfície, se a espiaing plano não é paralela à superfície da amostra. Em princípio, pode-se utilizar o sinal de capacidade com realimentação para manter uma capacidade constante durante a digitalização da ponta, no entanto, na prática, o sinal não é suficientemente robusto para impedir uma falha se o feedback é usado.
   3. Observar qualquer desvio térmico de modo que pode ser compensada pelo reposicionamento deslocamento da ponta. Observe a quantidade de extensão da ponta, enquanto na faixa no modo de tunelamento, referido no presente protocolo como o ponto de contato.
9. Mover a uma área imperturbável da amostra, uma que não foi digitalizada no modo de STM.
   1. Desativar o ciclo de feedback no controlador STM. Lembre-se que quando o feedback é desativada, os movimentos da ponta manuais pode inadvertidamente causar um acidente. Grande cuidado deve ser tomado ao se mover a ponta.
   2. Retrair a ponta de algumas dezenas de nanômetros a partir do ponto de contato.
   3. Compensar a posição lateral da ponta de uma área próxima da amostra which não foi recentemente verificado, a fim de evitar quaisquer perturbações (tais como o carregamento de sítios dopantes semicondutores) a tensão de polarização necessária para permitir um túnel através da amostra semicondutora para digitalização STM pode ter induzido.
   4. Cautelosamente estender a ponta em direção à superfície até o deslocamento da ponta de extensão equilíbrio está perto em magnitude ao ponto de toque.
10. Mudar para o modo de configuração de fiação capacitância.
    1. Todos os fios de ligação à terra coaxial para proteger o HEMT.
    2. Ligar os cabos coaxiais para as fontes e resistências de tensão e relevantes para o amplificador lock-in e o gerador de função, conforme mostrado na Figura 2.
    3. Ligue todas as fontes de tensão. Para evitar chocar o HEMT, comece com saídas de fonte de tensão em 0 V.
    4. Não moídos os cabos coaxiais, lembrando-se para manter a porta, e o canal de dreno-fonte do HEMT ligados uns aos outros, desde que possível, a fim de proteger o HEMT.
    5. Defina o vfonte ensão sobre o resistor divisor de tensão (fio D).
    6. Sintonize o HEMT para sua região mais sensível, monitorando a tensão do fio L com um multímetro enquanto ajusta V _sintonia. Recoloque fio L ao amplificador lock-in depois.
    7. Aumentar V _sintonia até que o sinal em fase no bloqueio em aumentos de amplificador e começa a estabilizar; ficha esse valor de _sintonia V, que é a tensão aplicada à ponta. Isso permite que toda a carga a partir da medição de ir ao HEMT em vez de vazar através do fio L.
    8. Otimizar a fase interna do amplificador lock-in usando sua habilidade autophase e recorde o valor de fase.
    9. Aguarde o HEMT para estabilizar a garantir que não haja efeitos térmicos significativos (isso muitas vezes leva até duas horas).
11. Equilibre a HEMT ajustando o sinal no padrão do capacitor para assegurar que apenas o sinal de interesse vai ao amplificador lock-in. Ajustes do sinal nocapacitor padrão pode ser feito tanto com a amplitude do _equilíbrio V ou para a fase relativa entre V e V, _{equilíbrio de excitação.} O HEMT é considerada equilibrada quando o sinal de fase in no amplificador lock-in é minimizada nesta etapa do processo.
12. Realizar a digitalização de imagens de acumulação de carga.
    1. Defina o DC viés tensão V _DC na amostra.
    2. Estenda a ponta para dentro de um nm da superfície, usando o ponto de contato como referência.
    3. Gravar a saída do amplificador lock-in usando o software de aquisição de dados, este é o sinal de interesse.
    4. Digitalização da amostra. Para obter uma boa resolução, os scans podem precisar de ser adquiridos a uma taxa de várias horas por digitalização para permitir média do sinal suficiente para cada pixel e para evitar manchas do sinal entre os pixels adjacentes da imagem. Realizar vários exames sobre a mesma área, e estas média verifica em conjunto para melhorar a relação sinal-ruído.
13. Realizar espectroscopia de capacitância (CV) com a ponta estacionário acima de um recurso do subsolo de interesse na imagem de acumulação de carga adquirida durante a etapa anterior.
    1. Rampa V _DC e gravar a saída do amplificador lock-in usando o software de aquisição de dados.
    2. Levar vários (CV) curvas de capacitância versus tensão no mesmo local, ea média dessas curvas em conjunto para melhorar a relação sinal-ruído. Tipicamente, algumas curvas são calculados em conjunto. Enquanto as curvas média melhora a relação sinal-ruído, por causa do potencial de deriva durante as varreduras, apenas um punhado de exames sucessivos deve ser calculada a média juntos.
14. Retornar ao modo de tunelamento (STM).
    1. Retrair a ponta de sua extensão equilíbrio e reconfigurar o sistema eletrônico para STM. Reativar o ciclo de feedback e registrar o presente na gama extensão da ponta (ponto de contato).
    2. Digitalizar a área em modo de tunelamento para procurar recursos no topografia que pode ter gerado artefatos na imagem capacitância e espectroscopia de capacitância.
15. Analisar e interpretar dados, seguindo Referência 9 e as informações de suporte na Referência 1.

Resultados

O principal indicador de uma medida de sucesso é a reprodutibilidade, bem como em outros métodos de varredura por sonda. Medições repetidas são muito importantes por essa razão. Por espectroscopia de capacitância ponto, tendo muitas medições em sucessão no mesmo local ajuda a aumentar a relação sinal-ruído e identificar sinais espúrios.

Uma vez que uma característica de interesse tiver sido identificado dentro da imagem de acumulação de carga e espectroscopia de capacitânci...

Discussão

Uma explicação detalhada da base teórica para este método experimental é dada em referências 8 e 9 e discutido com relação ao cenário de dopantes subsuperfície na Referência 2, a visão aqui apresentada, portanto, ser breve e conceitual. A ponta é tratado como um prato de um condensador, e da camada condutora subjacente da amostra compreende a outra placa. Se a tensão contínua é aplicada de tal modo que os electrões são puxados na direcção da ponta, e se existe um átomo de contaminante situado entre ...

Materiais

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