Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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 </strong>. 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.