Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

Subsurface Ladungsakkumulation (SCA) Bildgebung ist eine Niedertemperatur-Verfahren auflösen können Einzel-Elektronen-Charging Events. Bei der Untersuchung von Dotierungsatomen in Halbleitern angewendet wird, kann das Verfahren erkennen einzelnen eintretenden Elektronen Donor-oder Akzeptor-Atomen, wodurch Charakterisierung des Quanten-Struktur dieser Systeme Minute. In seinem Herzen ist SCA Bildgebung eine lokale Kapazitätsmessung ⁶ für Kryo-Betrieb geeignet. Da Kapazität vom elektrischen Feld basiert, ist es eine Fernwirkung, die zu lösen Laden unter isolierenden Oberflächen können ^6. Kryo-Betrieb ermöglicht Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung und Quanten-Ebene Abstand, der bei Raumtemperatur ^1,2 unlösbaren würde. Die Technik kann auf jedes System, in dem die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche ist wichtig angewendet werden, einschließlich der Ladung Dynamik in zweidimensionalen Elektronensysteme an inneren Grenzflächen ^7; Kürze halber der Fokus hier auf Studien von Halbleiter Dotierungen sein.

Am meisten schematische Ebene behandelt diese Technik das gescannte Spitze als eine Platte eines Plattenkondensator, obwohl realistische Analyse erfordert eine genauere Beschreibung zu berücksichtigen, für die Krümmung der Spitze ^8,9. Die andere Platte in diesem Modell ist eine nanoskaligen Bereich der darunter liegenden leitenden Schicht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Im Wesentlichen von einer Ladung in einen Dotierstoff in Reaktion auf eine periodische Anregung Spannung, wird es näher an der Spitze; diese Bewegung induziert image Ladung auf der Spitze, die mit der Sensorschaltung ⁵ erfasst wird. Ebenso wie die Ladung beendet das Dotierungsmittel, das Bild Ladung auf der Spitze verringert. Daraus ergibt sich die periodischen Ladesignal in Reaktion auf die Erregungsspannung das detektierte Signal – im Wesentlichen ist es Kapazität, so dass diese Messung wird oft als die Bestimmung der CV Eigenschaften des Systems bezeichnet.

Zelt "> Während der Kapazitätsmessung, ist das einzige Netz Tunneling zwischen dem zugrunde liegenden leitfähigen Schicht und der Dotierungsmittelschicht -. Ladung nie Tunnel direkt auf die Spitze Das Fehlen direkter Tunneln oder von der Spitze während der Messung ist ein wichtiger Unterschied zwischen diesem Technik und mehr vertraut Rastertunnelmikroskopie, ist, obwohl ein großer Teil der Hardware für dieses System im Wesentlichen identisch mit der eines Rastertunnelmikroskops. Es ist auch wichtig anzumerken, dass SCA Bildgebung nicht direkt auf elektrostatische Ladungen reagieren. Für Untersuchungen der statischen Aufladung Ausschüttungen, Raster-Kelvin-Sonden-Mikroskopie oder elektrostatische Kraft-Mikroskopie geeignet ist kryogenen Zusätzliche Methoden für die Prüfung lokalen elektronischen Verhalten gibt, die auch gute elektronische und räumliche Auflösung;. zum Beispiel, Scannen Einelektrontransistor Mikroskopie ist ein weiteres Raster-Sonden-Methode zum Aufspüren von Minute Aufladen Effekte ^4,10. SCA Bildgebung war ursprünglichentwickelt am MIT durch Tessmer, Glicofridis, Ashoori und Mitarbeiter ^7, außerdem das hier beschriebene Verfahren kann als Raster-Sonden-Version der Single-Electron Spectroscopy Kapazität Methode Ashoori und Mitarbeiter ¹¹ entwickelt angesehen werden. Ein wesentliches Element der Messung ist ein exquisit empfindlich Charge-Detektionsschaltung ^5,12 mit high electron mobility Transistoren (HEMT), es kann einen Geräuschpegel so niedrig wie 0,01 Elektronen / Hz erreichen ^½ bei 0,3 K, die Basis Temperatur des Kryostaten in Referenz 5. Eine derart hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Beobachtung von Einzel-Elektronen-Aufladung in unterirdischen Anlagen. Diese Methode wird für die Untersuchung von Elektronen oder Löcher Dynamik einzelne oder kleine Gruppen von Dotierstoffen in Halbleitern geeignet, mit typischen Dotierstoff Flächendichte im Bereich von 10 ¹⁵ m ^-2 in einer ebenen Geometrie ^2. Ein Beispiel für eine typische Probe Konfiguration für diese Art von Test ist in Abbildung 1 dargestellt </strong>. Die Dotierungsschicht typischerweise einige zehn Nanometer unter der Oberfläche positioniert, es ist wichtig, die genaue Abstände zwischen der darunterliegenden leitenden Schicht und dem Dotierstoff Schicht und zwischen der Dotierungsmittelschicht und der Probenoberfläche zu kennen. Im Gegensatz zu den Tunneln hat Kapazität nicht abfallen, sondern im wesentlichen exponentiell abnimmt umgekehrt proportional zum Abstand. Somit könnte das Dotierungsmittel Tiefe im Prinzip sogar tiefer als zehn Nanometer unter der Oberfläche, wie einige angemessener Anteil des elektrischen Feldes landet auf der Spitze. Für alle der genannten kryogenen Nahsonden von elektronischen Verhalten, einschließlich der hier beschriebenen Technik wird räumliche Auflösung durch die geometrische Größe der Spitze und durch den Abstand zwischen dem Untergrund Merkmal von Interesse und der Rastersondenspitze begrenzt.