ВС электронные решена НС сканирующий туннельный микроскопии: Содействие исследования динамики одного легирующего заряда

Резюме

Мы показываем все электронного метода с сканирующий туннельный микроскоп наблюдать динамику решена НС заряда примеси атомов кремния.

Аннотация

Миниатюризация полупроводниковых приборов шкалы, где небольшое количество активаторов можно управлять свойствами устройства требует разработки новых методов, способных характеризующие их динамику. Расследование одного активаторов требует суб нанометра пространственным разрешением, которая стимулирует использование сканирующей микроскопии туннелирования (СТМ). Однако обычные STM ограничивается миллисекунды временного разрешения. Были разработаны несколько методов для преодоления этого недостатка, включая все электронные время решена STM, который используется в данном исследовании для изучения динамики примеси в кремнии с резолюцией НС. Представленные здесь методы широко доступны и позволяют местные измерения широкий спектр динамики атомного масштаба. Роман времени решена сканирование технология туннелирования спектроскопии представлена и используется для эффективного поиска динамики.

Введение

Сканирование, туннелирование микроскопии (СТМ) стал премьер инструментом в нанотехнологий для его способности решать атомного масштаба топографии и электронной структуры. Одно ограничение обычных STM, однако, является его временное разрешение ограничивается миллисекунды сроки из-за ограниченной пропускной способности текущего предусилитель¹. Он уже давно цель расширить STM в временное разрешение на весы, на которых часто происходят атомные процессы. Пионерские работы в раз решается сканирующей микроскопии туннелирования (TR-STM) Фримен et. al. ¹ использовать светопроводящих переключатели и микрополосковые линии электропередачи узором на образце для передачи пикосекундных импульсов напряжения до перекрестка туннеля. Эта Джанкшн смешивание техника использовалась для достижения одновременного резолюций 1 Нм и 20 ps², но он никогда не был широко принят из-за требования об использовании специализированных образец структуры. К счастью основные опыт из этих работ может быть обобщена на много времени решены методов; даже несмотря на то, что пропускная способность STM схемы ограничивается несколько килогерц, нелинейных ответ I(V) в STM позволяет быстрее динамика быть исследован путем измерения среднего туннеля текущего получено над много циклов насоса зонд. В последующие годы были изучены многие подходы, наиболее популярными из которых кратко рассматриваются ниже.

Потрясенный пульс пара возбужденных STM (SPPX) использует достижений в сверхбыстрого импульсных лазерных технологий для достижения резолюции Подкомиссии пикосекундной непосредственно светящиеся перекрестка туннеля и захватывающие перевозчиков в в образца³. Инцидент лазерный свет создает свободных носителей, которые временно повысить теплопроводности, и модуляции задержки между насосом и зонд (t_d) позволяет d,я/dt_d измеряется с усилителем блокировки. Потому что задержка между насосом и зонд модулируется вместо интенсивности лазера, как и многие другие оптические подходы, SPPX-STM избегает фото освещение индуцированной теплового расширения отзыв³. Более поздние расширения этого подхода продлили сроки, над которой SPPX-STM может использоваться для изучения динамики, используя пульс рудоразборка методы для увеличения диапазона насоса зонд задержки раза⁴. Важно отметить, что это недавнее развитие также обеспечивает возможность измерения, я(t_d) кривых непосредственно, а не посредством численного интегрирования. Последние приложения SPPX-СТМ включают исследование несущей рекомбинации в одно-(Mn, Fe)/GaAs(110) структуры⁵ и доноров динамика в GaAs⁶. Применение SPPX-STM сталкиваются некоторые ограничения. Сигнал, который SPPX-STM мер зависит от свободных носителей возбуждается оптических импульсов и лучше всего подходит для полупроводников. Кроме того хотя туннелирование текущего локализован к кончику, потому что большой площади возбужденные оптических импульсов, сигнал является свертки свойств локальной и перевозки материалов. Наконец уклон на стыке фиксируется на шкалу измерений так, что динамика исследуемых должны быть фотоиндуцированной.

Более поздние оптической техники, терагерцевого STM (ТГц-STM), пары свободного пространства ТГц импульсов сосредоточена на стыке до кончика STM. В отличие от в SPPX-STM, спаренных импульсов ведут себя как импульсов напряжения быстро, позволяя для расследования электронно управляемые возбуждений с суб пикосекундной резолюции⁷. Интересно, что выпрямленный ток порожденных от импульсов ТГц результаты в экстремальных пик плотностях тока не доступны обычные STM^8,9. Техника недавно использовался для изучения горячих электронов в Si(111)-(7x7)⁹ и изображения вибрации молекул одного Пентацен¹⁰. ТГц импульсы естественно пара на кончике, однако, необходимость интеграции ТГц источник STM эксперимент может быть сложным для многих экспериментаторов. Это мотивирует развитие других широко применяемых и легко осуществимых методов.

В 2010 году лот и др. ¹¹ разработал все электронная техника, где наносекундных импульсов напряжения применяется поверх DC смещение электронным насоса и датчика системы¹¹. Введение этой техники предложил критический демонстрация недвусмысленные и практических приложений времени решены STM для измерения ранее ненаблюдаемых физики. Хотя это не так быстро, как перекрестка смешивания STM, которые ей предшествовали, применяя микроволновые импульсы к кончику STM позволяет произвольным образцы должны расследоваться. Этот метод не требует каких-либо сложных оптических методологий или оптический доступ к перекрестка STM. Это делает простой метод адаптироваться к низкой температуре STM. Первая демонстрация этих методов был применен к изучению динамики спин-где вращательно поляризованный STM был использован для измерения динамики релаксации спина-государств возбуждается импульсами насоса¹¹. До недавнего времени, его применение, остался только для магнитных adatom систем^12,13,14 , но имеет с расширен к изучению скоростью захвата перевозчика от дискретных середины разрыва государства¹⁵ и заряд динамика из одного мышьяка активаторов в Силиконовой^15,16. Последние исследования находится в центре внимания этой работы.

Исследования свойств одного активаторов в полупроводниках недавно привлекли большое внимание, потому что комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) устройства теперь вступаем режима где один активаторов может повлиять на свойства устройства¹⁷ . Кроме того несколько исследований показали, что один активаторов могут служить как основных компонентов будущих устройств, например кубитов для квантовых вычислений¹⁸ и квантовой памяти¹⁹, а также один атом транзисторов^{20 , 15}. будущее устройства может также включать другие атомного масштаба дефектов, таких как кремний, оборванных Бонд (DB), который может быть рисунком с атомной точностью с STM литографии²¹. С этой целью были предложены как заряд кубитов²², квантовых точек для квантовой клеточных автоматов архитектуры^23,24и атомной провода^25,26 DBs и был рисунком для создания Квантовая логика Гамильтониан ворота,²⁷ и^28,искусственные молекулы²⁹. Продвигаясь вперед, устройства могут включать одного активаторов и DBs. Это привлекательный стратегия, потому что DBs дефекты поверхности, которые легко могут быть охарактеризованы с STM и используется как ручка для характеристики одного легирующего устройств. В качестве примера этой стратегии DBs используются в этой работе как заряда датчики для выведения зарядки динамика активаторов вблизи поверхности. Эти динамики регистрируются с использованием ВС электронные подход к TR-STM, который заимствован из методики, разработанные Loth et al. ¹¹

Измерения выполняются на выбранных DBs на поверхности Si(100)-(2x1) водорода прекращено. Примеси обедненной области расширения примерно 60 Нм ниже поверхности, созданные с помощью термической обработки кристалл³⁰, отделяет DB и немногих оставшихся вблизи поверхности активаторов от основной полосы. STM исследования DBs показали, что их проводимости зависит от глобальной выборки параметров, как концентрация активаторов и температуры, но отдельные DBs также показывают сильные вариации в зависимости от их местных условий¹⁶. Во время измерения STM над одной БД, текущий поток регулируется скорость, на которой электроны может проложить туннель от основную БД (_{Массовая}Γ) и DB на кончике (_{наконечник}Γ) (рис. 1). Однако потому что проводимости DB чувствителен к местной окружающей среды, состояние заряда рядом активаторов влияет Γ_{сыпучих} (рис. 1B), который может быть выведен путем мониторинга DB проводимости. В результате, проводимость БД может использоваться для смысл государства заряда рядом активаторов и может использоваться для определения ставки, на которых являются активаторов поставляется электроны из массовых (_LHΓ) и потерять их до кончика STM (Γ_{HL < / c13 >). Чтобы устранить эти динамики, TR-STS выполняется вокруг порог напряжения (ЧетV), на которых кончик индуцирует ионизации активаторов вблизи поверхности. Роль насоса и датчика импульсов является то же самое в трех время решена экспериментальные методы, представленные здесь. Насос временно приносит уровень смещения снизу выше Vthr, который индуцирует примеси ионизации. Это повышает проводимость дБ, что пробы от датчика пульса, который следует на нижней уклоном.}

Методы, описанные в настоящем документе выиграют желающих характеризовать динамику происходящих на миллисекунду для наносекундных шкалы с STM. Хотя эти методы не ограничены для изучения динамики заряда, важно, что динамики проявляются через временные изменения в проводимости государств, которые могут быть исследован STM (т.е. государства, на территории или вблизи поверхности). Если проводимость переходных состояний существенно не отличается от состояния равновесия, таким образом, что разница между равновесие и переходных токов умножается Скважность импульсов зонд меньше, чем слово шум систем (обычно 1 ПА), сигнал будет потеряно в шум и не будет обнаружить по этой методике. Потому что экспериментальные изменения коммерчески доступных STM систем, необходимых для выполнения методов, описанных в данном документе являются скромными, предполагается, что эти методы будут широко доступными для сообщества.

протокол

1. Начальная настройка микроскоп и экспериментов

1. Начните с ультравысокой вакуумные криогенных поддержкой STM и связанного с ней программного обеспечения управления. Прохладный STM для криогенных температур.
   Примечание: В настоящем докладе, сверхвысокого вакуума относится к системам, которые достигают < 10 x 10^-10 Торр. STM должно охлаждаться до криогенных температур; Это особенно важно при расследовании заряд динамика активаторов, которые термически активированный при скромных температурах. Другие камеры может быть при комнатной температуре.
2. Убедитесь, что кончик STM оснащен высокой частоты проводки (~ 500 МГц).
   Примечание: С помощью импульсного формирования методы, значительное увеличение времени реакции STM с стандартных криогенных температур коаксиальный проводки (~ 20 МГц) сообщалось Гроссе и др. ³¹
3. Подключите произвольные функции генератора с по крайней мере два канала на кончике (рис. 2), который будет использоваться для подготовки циклов напряжения пульс пар используется для насоса зонд экспериментов.
4. Настройте генератор произвольной функции создаются самостоятельно и кратко прежде чем кормят в наконечник насоса и датчика импульсов напряжения.
5. Примените DC напряжения смещения, используемые для визуализации и обычных спектроскопии для образца (V_DC).
6. Подключите два радиочастотные переключатели к произвольной функции генератора выходных каналов.
7. Настройка коммутаторов, так, что кончик будет основываться в СТМ изображений и обычных спектроскопии и эффективного предвзятости V_DC + V_Совет во время экспериментов насос зонд (рис. 4A).
8. Собирайте, Туннельный ток для всех измерений через предусилитель подключен к образцу.

2. Подготовка реконструкции H-Si(100)-(2x1)

1. Рассекающий удар образца из 3-4 mΩ·cm n типа мышьяка легированных Si(100) пластины царапин задней пластины с Чертилка карбид кремния и аккуратно Привязка образца от пластины с стеклянных скольжениях микроскопа.
2. Аффикс образец держатель образца STM и ввести его в сверхвысоких вакуумной камере, прилегающих к палате STM.
3. Дега образца, resistively Отопление до 600 ° C (пирометр может использоваться для мониторинга температуры образца) и удерживая ее при такой температуре по крайней мере 6 часов в сверхвысокого вакуума.
   Примечание: Давление первоначально будет расти, как образец и держателя образца составляла Дега, но следует стабилизировать вблизи базы давления (< 10^-10 торр) после нескольких часов.
4. Разрешить образец остыть до комнатной температуры перед продолжением.
5. Дега накаливания вольфрама в той же камере как образец resistively Отопление накаливания до 1800 ° C и ожидания для системы, чтобы восстановить базовые давления. Выключите нити перед продолжением.
   Примечание: Образец может оставаться в камере во время этого шага потому что он пассивируется родной окиси слой на ее поверхности, и впоследствии будут удалены любые загрязнения поверхности образца, в результате этого шага. Температура накаливания должны быть откалиброваны для конкретных тока/напряжения накала с помощью пирометра.
6. Удалить оксида из поверхности образца, мигает образца до 900 ° C и удерживая ее при этой температуре 10 s до охлаждения до комнатной температуры. Давление будет увеличиваться несколько порядков от базового давления во время процедуру прошивки. После каждой вспышки, найденных во время этой процедуры дождитесь образца остыть до комнатной температуры и системы для восстановления базового давление перед продолжением.
   Примечание: Мигает определяется в настоящем докладе как нагрева и охлаждения образца с высоким рамп цены, порядка 100 ° C/сек.
7. Постепенно флэш образца до более высоких температур при попытке достичь окончательного flash 1250 ° c. Прервать выполнение любой вспышки, где давление поднимается выше 9 x 10^-10 Торр, чтобы предотвратить получение загрязненной поверхности образца. Запись напряжение/ток, используемые для достижения 1250 ° C флэш (света, выделяемых подогревом накаливания на шаге 2.6 пирометра помешает дает точные показания температуры образца, и таким образом должен использоваться этот ПВ). На заключительном flash определить напряжение/ток, необходимых для нагрева образца до 330 ° C как кристалл охлаждается, то пусть образец остыть до комнатной температуры и пусть система восстановления базы давление перед продолжением.
8. Утечка газа₂ H в камеру при давлении 1 x 10^-6 Торр и тепла накаливания вольфрама до 1800 ° C.
   Примечание: Это имеет эффект растрескивания H₂ atmoic водорода³².
9. Держите образец в этих условиях в течение 2 мин до прошивки образца до 1250 ° C_, , держа его при этой температуре для 5 s и охлаждения до 330 ° C.
10. После 1 мин воздействия на 330 ° C одновременно закрыть клапан утечки₂ H, выключить накаливания вольфрама и пусть образец остыть до комнатной температуры.
    Примечание: Эти высокие температуры вспышки влияют на распределение активаторов в образце. Было установлено, что Отопление до 1250 ° C побудить ~ 60 Нм примеси обедненной области вблизи поверхности образца³⁰.
11. Проверьте образец качества, принимая СТМ изображений поверхности.
    Примечание: Хорошие образцы будут иметь большие (> 30 Нм x 30 Нм) террасы с частотой дефект < 1% (висячие облигаций, адсорбированных молекул, Адатом и т.д.) и продемонстрируют классический Si(100)-(2x1) реконструкции³², которая включает димер строк Запуск antiparallel друг с другом через шаг ребра (рис. 3B).

3. Оценка качества насоса зондирующих импульсов на стыке тоннель

1. Подход STM кончика к поверхности образца путем привлечения текущий контроллер обратной связи с текущей setpoint 50 ПА и образец уклона -1.8 V.
   Примечание: В этих условиях, кончик оценивается как < 1 Нм от поверхности образца. Кончик STM, используемые в этой работе был продюсирован химически травления Поликристаллический вольфрам. Он был заостренные, далее с помощью азота, травления процедура, которая хорошо описана в Rezeq et al. ³³.
2. Посмотрите на область на поверхности образца, от крупных дефектов поверхности, приняв большую площадь сканирования (например, 50 Нм x 50 Нм).
3. Положение STM опрокинуться H-Si на поверхности, которые появляются как димер строк в СТМ изображений (рис. 3B).
4. Выключить текущий контроллер обратной связи
5. Установите V_DC -1,0 V, V_насос -0,5 V, V_зонд -0,5 V, ширина насоса и датчика импульсов до 200 НС и время нарастания/спада импульсов до 2,5 НС (рис. 4A).
6. Отправить целый ряд поездов насоса и датчика импульсов, где относительная задержка насоса и датчика прокатилась от-900 НС до 900 НС.
7. Участок, туннелирование текущий как функция задержки между насосом и зонд. Он скорее всего будет демонстрировать сильные звон (колебания в туннельного тока как функция относительной задержки между насоса и датчика импульсов, рис. 4B).
   Примечание: Python и происхождение программного обеспечения были использованы для печати, анализировать и оценивать данные, собранные для этой рукописи.
8. Повторите шаги 3.1-3.5, но увеличить время нарастания/спада импульсов. Звон будет уменьшаться как увеличилось время нарастания/спада.
   Примечание: Желательно избавиться от звона предоставить наиболее точные результаты спектроскопических, однако, является ограниченной ширины импульсов используется время разрешение этих методов. для этой работы были использованы 25 раз подъем ns.

4. время решена сканирование туннелирование спектроскопии (TR-STS)

1. Положение STM опрокинуться кремния DB, которые появляются как яркие выступы на негативные предубеждения образца tip (рис. 3B).
2. Выключите STM текущий контроллер обратной связи.
3. Отправьте поезд, состоящий из только датчик импульсов с частотой повторения 25 кГц. За серию импульсных поездов, развертки смещения датчика пульса в диапазоне 500 мВ от смещения -1.8 V DC.
   Примечание: Этот простой эксперимент аналогичен обычным STS, где проводимость пробы в диапазоне предубеждения.
   1. Настройка длительности импульса поезда (каждый с различным уклоном), таким образом, чтобы результирующий спектры имеют отношение сигнал-шум > 10.
4. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что V_DC + V_насос > V_Чет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах, установите V_DC,_насос Vи V_Чет -1.8 V, 500 МВ и -2,0 V, соответственно.
   Примечание: Насос импульсов может иметь произвольно длинные длительности (обычно достаточно 1 МКС).
5. Отправить поезд состоит из насоса импульсов с зондирующих импульсов, после чего задержка 10 НС. В этих экспериментах, значение амплитуды импульса насоса как 500 МВ и зонд пульс развертки от 50 до 500 мВ.
   Примечание: В этом эксперименте, датчика пульса является выборка государства, подготовленный насоса импульса, а не состояние равновесия в обычных STS.
   1. Вычтите сигнал, когда только насос пульс был применен при отображении/оценке сигнала собранные от этого шага.
6. Сравнить только зонд и насос + датчик сигналов путем построения их в том же графе. Любые гистерезиса в двух сигналов является показателем динамики, которая может быть исследован с раз решить методами STM.
   Примечание: Сохраняя диапазон датчика пульса фиксированной и грубо сканирование DC смещение (в 0,25 V шаги, например), один можно эффективно карта весь энергетический диапазон выборки для определения динамики доступны к технике. Длительность импульса может быть изменен в зависимости от эксперимента. Ширина импульса насоса должна быть больше, чем скорость, с которой ионизированный примеси, таким образом, чтобы он последовательно ионизирует примеси. В общем зонд длительности должны быть того же порядка, как динамичный процесс под исследование, таким образом, чтобы максимальный сигнал может быть измерена без отбора проб в среднем двух проводимость государств. При поиске энергий в которых динамика существует, рекомендуется, что длительности зонда минимизированы таким образом, что только одно состояние системы измеряется для повышения гистерезиса. Как найти время релаксации константы, длительность импульса зонд может быть увеличена до улучшить соотношение сигнал-шум.

5. время решена STM измерения динамики релаксации

1. Поместите кончик STM кремния DB и выключить STM текущий контроллер обратной связи.
2. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что V_DC + V_насос > V_Чет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах, установите V_DC,_насос Vи V_Чет -1.8 V, 400 МВ и -2,0 V, соответственно.
   Примечание: Насос импульсов может иметь произвольно длинные длительности (обычно достаточно 1 МКС).
3. Отправьте поезд насоса и датчика импульсов. Убедитесь, что зондирующих импульсов амплитудой меньше, чем насосы и сопоставимы с диапазона в котором гистерезиса происходит (V_зонд < V_насос, V_зонд + V_DC≈ V_hystersis).
4. Развертки задержку между насоса и датчика пульса до нескольких десятков МКС.
5. Вычтите сигнала, полученных при применении только насос пульс. В этих экспериментах, установите V_DC,_насос Vи V_зонд -1.8 V, 400 МВ и 210 МВ, соответственно. Установите относительной задержки развертки от-5 мкс до 35 МКС.
   Примечание: Если сигнал получен из предыдущего шага хорошо подходят (R² > 0,80) функцией единого экспоненциального распада, то время существования переходного состояния, подготовленный насоса пульс могут быть извлечены из fit.

6. время решена STM измерения динамики возбуждения

1. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что больше, чем V_DC + V_насос > V_Чет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах установите V_DC и V_Чет -1.8 V и -2,0 V, соответственно. Установить_насос Vмежду 220 и 450 mV.
2. Развертки продолжительность импульса насоса от нескольких наносекунд до нескольких сотен наносекунд.
3. Отправьте поезд насоса и датчика импульсов. Зондирующих импульсов амплитудой должны иметь меньше, чем насосы и происходит, сопоставимые с диапазона в котором гистерезиса (V_зонд < V_насос, V_зонд + V_DC≈V _hystersis). В этих экспериментах, установите V_зонд до 210 МВ.
4. Вычтите сигнала, полученных при применении только датчика пульса.
   Примечание: Если сигнал получен экспоненциальный, это означает, что насос пульс готовит переходного состояния (ионизированные примеси) со скоростью, которые могут быть извлечены из fit (R²> 0,80). Протокол, описанные выше для экспериментов и оборудование, описанные здесь. Существует множество возможных путей для читателей, чтобы настроить свои собственные экспериментальной установки для исследования других систем. Например Общие методы не ограничиваются криогенно Охлажденный суп; любой Совет материал может быть использован, и они не требуют азота травления. Кроме того надлежащим образом запланированных произвольные функции генератора может использоваться для создания двойной импульсных сигналов, которые будет отрицать необходимость сумма двух независимых каналов. И наконец Нижняя полоса пропускания кабелей может быть используемые³¹.

Результаты

Результаты, представленные в этом разделе текста были ранее опубликованных^15,16. Рисунок 3 иллюстрирует поведение примера выбран дБ с обычными STM. Обычные измерения I(V) (рис. 3A) явно изображает резкого измене...

Обсуждение

Вариант TR-STS, в которых не применяется насос пульс сопоставимо с обычными STS, за исключением того, что система является производится выборка на высоких частотах, а не непрерывно. Если длительность зондирующих импульсов подходят (>Γ_LH), TR-STS сигнал, приобретенных без импульса насо...

Материалы

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