La microscopía de capacitancia de barrido ( SCM ) es una variedad de microscopía de sonda de barrido en la que un electrodo de sonda estrecho se coloca en contacto o muy cerca de la superficie de una muestra y se escanea. SCM caracteriza la superficie de la muestra utilizando información obtenida del cambio en la capacitancia electrostática entre la superficie y la sonda.
Historia
El nombre Scanning Capacitance Microscopy se utilizó por primera vez para describir una herramienta de control de calidad para el RCA / CED ( Disco electrónico de capacitancia ), [1] una tecnología de disco de video que fue un predecesor del DVD. Desde entonces, se ha adaptado para su uso en combinación con microscopios de sonda escaneados para medir otros sistemas y materiales, siendo el perfil de dopaje de semiconductores el más frecuente.
El SCM aplicado a los semiconductores utiliza una sonda conductora ultrafilada (a menudo, recubrimiento metálico de película delgada de Pt / Ir o Co / Cr aplicado a una sonda de silicio grabada) para formar un condensador de semiconductor-aislante de metal (MIS / MOS) con una muestra de semiconductor si está presente un óxido nativo. Cuando no hay óxido, se forma un condensador Schottky. Con la sonda y la superficie en contacto, una polarización aplicada entre la punta y la muestra generará variaciones de capacitancia entre la punta y la muestra. El método de microscopía de capacitancia desarrollado por Williams et. Alabama. usó el sensor de capacitancia del disco de video RCA conectado a la sonda para detectar los pequeños cambios en la capacitancia de la superficie del semiconductor (attofaradios a femptofaradios). Luego, la punta se escanea a través de la superficie del semiconductor mientras la altura de la punta se controla mediante retroalimentación de fuerza de contacto convencional.
Al aplicar una polarización alterna a la sonda recubierta de metal, los portadores se acumulan y agotan alternativamente dentro de las capas superficiales del semiconductor, cambiando la capacitancia punta-muestra. La magnitud de este cambio de capacitancia con el voltaje aplicado proporciona información sobre la concentración de portadores (datos de amplitud de SCM), mientras que la diferencia de fase entre el cambio de capacitancia y el sesgo alterno aplicado lleva información sobre el signo de los portadores de carga (SCM datos de fase). Debido a que SCM funciona incluso a través de una capa aislante, no se requiere una conductividad finita para medir las propiedades eléctricas.
Resolución
En las superficies conductoras, el límite de resolución se estima en 2 nm. [2] Para la alta resolución, se requiere el análisis rápido de capacitancia de un capacitor con electrodo rugoso. [3] [4] Esta resolución SCM es un orden de magnitud mejor que la estimada para el nanoscopio atómico ; sin embargo, como otros tipos de microscopía de sonda , SCM requiere una preparación cuidadosa de la superficie analizada, que se supone que es casi plana.
Aplicaciones
Debido a la alta resolución espacial de SCM, [2] es una herramienta útil de caracterización por nanoespectroscopía. Algunas aplicaciones de la técnica SCM implican mapear el perfil dopante en un dispositivo semiconductor en una escala de 10 nm, [5] cuantificación de las propiedades dieléctricas locales en películas dieléctricas de alto k basadas en hafnio cultivadas mediante un método de deposición de capa atómica [6] y el estudio de la estructura electrónica resonante a temperatura ambiente de un punto cuántico de germanio individual con diferentes formas. [7] La alta sensibilidad de la microscopía de capacitancia de barrido dinámico, [8] en la que la señal de capacitancia es modulada periódicamente por el movimiento de la punta del microscopio de fuerza atómica (AFM), se utilizó para obtener imágenes de tiras compresibles e incompresibles en un electrón bidimensional gas ( 2DEG ) enterrado 50 nm por debajo de una capa aislante en un gran campo magnético y a temperaturas criogénicas. [9]
Referencias
- ^ Afable, JR; J Blanc (1985). "Microscopía de capacitancia de barrido". Revista de Física Aplicada . 57 (5): 1437–1444. Código Bibliográfico : 1985JAP .... 57.1437M . doi : 10.1063 / 1.334506 .
- ^ a b Lanyi S; Hruskovic M (2003). "El límite de resolución de los microscopios de capacitancia de barrido". Journal of Physics D . 36 (5): 598–602. doi : 10.1088 / 0022-3727 / 36/5/326 .
- ^ NCBruce; A. García-Valenzuela, D. Kouznetsov (2000). "El límite de resolución lateral para la obtención de imágenes de superficies conductoras periódicas en microscopía capacitiva". Journal of Physics D . 33 (22): 2890–2898. Código Bibliográfico : 2000JPhD ... 33.2890B . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 33/22/305 .
- ^ NCBruce; A. García-Valenzuela, D. Kouznetsov (1999). "Condensador de superficie rugosa: aproximaciones de la capacitancia con funciones elementales". Journal of Physics D . 32 (20): 2692–2702. Código Bibliográfico : 1999JPhD ... 32.2692B . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 32/20/317 .
- ^ CC Williams (1999). "Perfilado de dopantes bidimensionales mediante microscopía de capacitancia de barrido". Revisión anual de la investigación de materiales . 29 : 471–504. Código Bibliográfico : 1999AnRMS..29..471W . doi : 10.1146 / annurev.matsci.29.1.471 .
- ^ Y. Naitou; A. Ando; H. Ogiso; S. Kamiyama; Y. Nara; K. Nakamura (2005). "Fluctuación espacial de propiedades dieléctricas en películas de puerta de alta k basadas en Hf estudiadas mediante microscopía de capacitancia de barrido". Letras de Física Aplicada . 87 (25): 252908–1 a 252908–3. Código Bibliográfico : 2005ApPhL..87y2908N . doi : 10.1063 / 1.2149222 .
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- ^ A. Baumgartner; ME Suddards y CJ Mellor (2009). "Microscopio de capacitancia de barrido dinámico de campo magnético alto y baja temperatura". Revisión de instrumentos científicos . 80 (1): 013704. arXiv : 0812.4146 . Código Bibliográfico : 2009RScI ... 80a3704B . doi : 10.1063 / 1.3069289 . PMID 19191438 .
- ^ ME Suddards, A. Baumgartner, M. Henini y CJ Mellor (2012). "Escaneo de imágenes de capacitancia de tiras de borde de efecto Hall cuántico comprimibles e incompresibles". Nueva Revista de Física . 14 : 083015. arXiv : 1202.3315 . Código bibliográfico : 2012NJPh ... 14h3015S . doi : 10.1088 / 1367-2630 / 14/8/083015 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )