Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

Acumulación de imágenes de carga del subsuelo (SCA) es un método de baja temperatura capaz de resolver los eventos de carga de un solo electrón. Cuando se aplica al estudio de los átomos de dopante en los semiconductores, el método puede detectar electrones individuales que entran en átomos donantes o aceptor, permitiendo la caracterización de la estructura cuántica de estos sistemas minutos. En su corazón, SCA formación de imágenes es una medición de la capacidad local de ⁶ bien adaptado para la operación criogénica. Debido a que la capacitancia se basa en el campo eléctrico, que es un efecto de largo alcance que puede resolver de carga por debajo de las superficies de aislamiento ^6. Operación criogénica permite la investigación de movimiento de un solo electrón y el espaciamiento nivel cuántico que serían irresolubles en la sala de temperatura de ^1,2. La técnica se puede aplicar a cualquier sistema en el que movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante es importante, incluyendo la dinámica de carga de electrones en sistemas de dos dimensiones en las interfaces enterrados ^7; por razones de brevedad, el enfoque aquí será en estudios de agentes de dopado de semiconductores.

En el nivel más esquemática, esta técnica trata a la punta escaneada como una placa de un condensador de placas paralelas, aunque el análisis realista requiere una descripción más detallada para tener en cuenta la curvatura de la punta de ^8,9. La otra placa en este modelo es una región a nanoescala de la capa conductora subyacente, como se muestra en la Figura 1. Esencialmente, como una carga entra en un dopante en respuesta a una tensión de excitación periódica, que se acerca a la punta; este movimiento induce más carga imagen en la punta, que se detecta con el circuito del sensor ^5. Del mismo modo, como la carga sale del dopante, se disminuye la carga de la imagen en la punta. Por lo tanto la señal de carga periódica en respuesta a la tensión de excitación es la señal detectada – esencialmente es la capacitancia, por lo que esta medida se conoce como la determinación de las características del sistema de CV a menudo.

tienda de campaña "> Durante la medición de capacitancia, la única red de túnel es entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado -. túneles de carga nunca directamente sobre la punta La falta de un túnel directo hacia o desde la punta durante la medición es una diferencia importante entre este y la técnica de escaneo más familiarizados microscopía de efecto túnel, aunque gran parte del hardware para este sistema es esencialmente idéntica a la de un microscopio de efecto túnel. También es importante tener en cuenta que SCA formación de imágenes no es directamente sensible a las cargas electrostáticas. Para las investigaciones de carga estática distribuciones, escaneo de microscopía de sonda Kelvin o microscopía de fuerza electrostática es apropiado métodos criogénicos adicionales para examinar el comportamiento existe electrónica local, que también tienen una buena resolución electrónica y espacial;. por ejemplo, microscopía transistor de un solo electrón es otro método de sonda de barrido capaz de detectar los minutos de carga efectos ^4,10. SCA imagen fue originalmentedesarrollado en el MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, y los compañeros de trabajo ^7, por otra parte, el método descrito aquí puede ser considerado como una versión de sonda de barrido del método Espectroscopía de la capacitancia de un solo electrón desarrollado por Ashoori y compañeros de trabajo ^11. Un elemento clave de la medición es un circuito de carga-detección exquisitamente sensible ^5,12 utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), sino que puede lograr un nivel de ruido tan bajo como 0.01 electrones / Hz ^½ a 0,3 K, la temperatura de base del criostato en referencia 5. Esta alta sensibilidad permite la observación de la carga de un solo electrón en sistemas subterráneos. Este método es adecuado para el estudio de la dinámica de electrones o un agujero de grupos individuales o pequeñas de dopantes en semiconductores, típicos con densidades de área dopantes en el orden de 10 ¹⁵ m ^-2 en una geometría plana ^2. Un ejemplo de una configuración de ejemplo típico de este tipo de experimento se muestra en la Figura 1 </strong>. La capa de agente de dopado se coloca típicamente unas pocas decenas de nanómetros por debajo de la superficie, es importante conocer las distancias precisas entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado y entre la capa de agente de dopado y la superficie de la muestra. En contraste con efecto túnel, capacitancia no se caiga de forma exponencial, pero en su lugar disminuye esencialmente en proporción inversa a la distancia. Por lo tanto, la profundidad de dopante en principio, podría ser incluso más profunda que decenas de nanómetros bajo la superficie, siempre que una fracción razonable de los terrenos del campo eléctrico en la punta. Para todas las mencionadas sondas criogénicas locales de comportamiento electrónico, incluyendo la técnica descrita aquí, la resolución espacial está limitada por el tamaño geométrico de la punta y por la distancia entre la característica del subsuelo de interés y la punta de sonda de barrido.