Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

Подземные накопления заряда (SCA) изображений является низкотемпературный способ способны решить одноэлектронной зарядки событий. При нанесении на изучение атомов легирующей примеси в полупроводниках, метод может обнаружить отдельные электронов, входящих донорных или акцепторных атомов, что позволяет характеристику квантовой структуры этих систем минуту. По сути, SCA изображений является локальное измерение емкости ⁶ хорошо подходит для криогенного операции. Поскольку емкости основано на электрическом поле, это эффект дальнодействия, которые могут разрешить зарядку под изолирующие поверхности ^6. Криогенные операция позволяет исследовать одного движения электрона и квантовой расстояние между уровнями, которые были бы неразрешимы при комнатной температуре ^1,2. Этот метод может быть применен к любой системе, в которой движение электронов ниже изолирующей поверхности имеет важное значение, в том числе зарядки динамика в двумерных электронных системах при похоронен интерфейсы ^7; для краткости акцент здесь будет сделан на исследованиях полупроводниковых примесей.

На самом схематическом уровне, этот метод обрабатывает отсканированные наконечник как одна пластина плоского конденсатора, хотя реалистичный анализ требует более подробного описания для учета кривизны вершины ^8,9. Другой пластины в этой модели наноразмерных область основной проводящий слой, как показано на рисунке 1. По существу, как заряд поступает легирующей примеси в ответ на периодические напряжения возбуждения, становится ближе к кончику; это движение вызывает больше изображение заряда на наконечник, который обнаруживается с помощью датчика схеме ^5. Кроме того, как заряд выходит легирующей примеси, изображение заряда на кончике уменьшается. Таким образом, периодический сигнал зарядки в ответ на напряжение возбуждения является обнаруженный сигнал – по существу это емкость, таким образом, это измерение часто упоминается как определение CV характеристик системы.

палатка "> Во время измерения емкости, только чистая туннелирование между основными проводящим слоем и слоем легирующей примеси -. заряда никогда туннелей прямо на кончике отсутствие прямого туннелирования или от кончика во время измерения важное различие между этим техники и более знакомые сканирующей туннельной микроскопии, хотя большая часть аппаратных средств для этой системы является по существу идентичной помощью сканирующего туннельного микроскопа. Важно также отметить, что SCA изображений непосредственно не чувствительны к статического электричества. Для исследования статического заряда распределений, сканирование Метод Зонда Кельвина или электростатическими силовой микроскопии является соответствующее дополнительное криогенных методы изучения местных электронных поведения существуют, которые также имеют хорошие электронного и пространственного разрешения;. Например, проверка одноэлектронного транзистора микроскопии другой сканирующий зондовый метод, способный обнаруживать минуты зарядки ^4,10 эффектов. SCA изображений изначальноразработана в Массачусетском технологическом институте по Tessmer, Glicofridis, Ashoori, и сотрудники ^7, кроме того, метод, описанный здесь можно рассматривать как сканирующий зондовый версия одноэлектронными емкостной спектроскопии метод, разработанный Ashoori и сотрудников ^11. Одним из ключевых элементов измерения чрезвычайно чувствительны заряда схема обнаружения ^5,12 использованием транзисторов высокой электронной мобильностью (HEMT), он может достичь уровня шума по цене от 0,01 электрон / Гц ^½ на 0,3 К, база температуры криостата в ссылке 5. Такая высокая чувствительность позволяет наблюдение одноэлектронных зарядки в подземных системах. Этот способ подходит для изучения электронной или дырочной динамики отдельных или небольшими группами легирующих примесей в полупроводниках, с типичным легирующей плотности записи порядка 10 ¹⁵ м ^-2 в плоской геометрии ^2. Пример типичной конфигурации образца для этого типа эксперимента показаны на рисунке 1 </strong>. Сло присадки, как правило, расположены в несколько десятков нанометров под поверхностью, важно знать точное расстояние между основной проводящий слой и слой легирующей примеси, а также между сло присадки и поверхностью образца. В отличие от туннельного, емкости не падает экспоненциально, но вместо этого существенно уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, примеси глубины в принципе может быть еще глубже, чем десятков нанометров под поверхностью тех пор, пока некоторые разумные часть электрического поля земли на конце. Для всех вышеупомянутых криогенной местного зондов электронных поведения, включая способ, описанный здесь, пространственное разрешение ограничивается геометрический размер наконечника и расстоянием между подземным особенностью интерес и сканирование зонда.