走査プローブ単電子容量分光

地下電荷蓄積（SCA）イメージングは​​、単電子チャージングイベントを解決することのできる低温法である。半導体中のドーパ​​ント原子の研究に適用された場合、本方法は、これらの微小系の量子井戸構造の特徴付けを可能にして、ドナーまたはアクセプター原子を入力して個々の電子を検出することができる。その中心には、SCAイメージングはローカル容量測定⁶極低温動作に適しています。静電容量、電界に基づいているので、表面⁰⁶の下に絶縁帯電解決することができる長距離効果である。低温動作は、単一電子の動きや室温^1,2で解決できないだろう量子レベル間隔の調査を可能にします。技術は、埋め込 ​​みインターフェイス⁷における二次元電子系における充電ダイナミクスを含む、絶縁表面下の電子の運動が重要である任意のシステムに適用することができ、簡潔にするために、ここでの焦点は、半導体ドーパントの研究になります。

現実的な分析は、先端^8,9の曲率を考慮して、より詳細な説明を必要とするものの、ほとんどの回路図レベルでは、この技術は、平行平板コンデンサの一方のプレートとして、スキャンしたヒントを扱います。 図1に示すように、このモデルの他のプレートは、下にある導電層のナノスケール領域である。本質的に、電荷が周期的な励起電圧に応答してドーパントに入ると、それは先端に近づくが、この動きは、センサ回路⁵によって検出されるチップ上に複数の画像電荷を誘導する。同様に、ドーパント充電が終了すると、先端のイメージ電荷は減少する。従って、励起電圧に応答して周期的な充電信号が検出された信号である – 基本的には静電容量であるので、この測定は、しばしば、システムのCV特性を決定することと呼ばれる。

テントは ">静電容量測定時には、唯一のネットトンネリングは、下にある導電層とドーパント層の間にある – 。直接チップ上にチャージ決してトンネル測定中に、または先端からトンネリング直接の欠如は、この重要な違いです。技術とより身近な走査型トンネル顕微鏡、多くのハードウェア、このシステムのためには、走査型トンネル顕微鏡のものと本質的に同一ですが。それはSCAイメージングは​​静電気に直接小文字が区別されないことに注意することも重要です。静電気の調査のためにディストリビューションは、ケルビンプローブ顕微鏡または静電気力顕微鏡が適切であるにも優れた電子及び空間分解能を有する局所的な電子現象が存在する調べるための追加の極低温法;。例えば、単一電子トランジスタの顕微鏡は、充電分を検出することができる別の走査型プローブ法である効果は^4,10。SCAイメージングはもともとテスマー、Glicofridis、Ashoori、および共同研究者⁷によってMITで開発され、また、ここで説明する方法はAshooriおよび共同研究者¹¹によって開発された単電子静電容量分光法の走査プローブ版として考えることができる。測定の重要な要素は、高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いて精巧に敏感な電荷検出回路^5,12であり、それは0.01エレクトロン/ Hz程度の低いノイズレベルを達成することができる^半 0.3°K、クライオスタットのベース温度リファレンス5インチこのような高感度、地下システムにおける単電子帯電の観察を可能にします。この方法は、平面幾何学² 10 ¹⁵メートル^-2のオーダーで、典型的なドーパント面密度と、半導体中のドーパントの個人や小グループの電子または正孔ダイナミクスの研究に適しています。実験のこのタイプの典型的なサンプルの構成の一例を図1に示す</strong>。ドーパント層は、典型的には、表面下数十ナノメートルに配置され、その下地導電層との間にドーパント層とドーパント層と試料表面との間の正確な距離を知ることが重要である。トンネリングとは対照的に、静電容量が急激に落下しないが、代わりに本質的距離に反比例して減少する。したがって、ドーパントの深さは、原理的には先端に電界ランドのいくつかの合理的な分数限り、表面下数十ナノメートル、よりさらに深くすることができる。ここに記載された技術を含む電子挙動、前述の低温ローカルプローブのすべてのために、空間分解能は、先端の幾何学的サイズによって、関心のある地下特徴と走査プローブ先端間の距離によって制限されます。