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全新快速扫描电容显微镜 SCM

扫描电容显微镜(SCM)是一种表征材料纳米电学性质的原子力显微镜(AFM)成像技术,它使用微波射频(RF)信号来探测半导体和其它种类样品中的电荷,载流子的位置,掺杂水平和掺杂类型(p型和n型)等。全新快速扫描电容显微镜 SCM可以在牛津仪器的 Asylum Research 的快速扫描 CypherJupiter XR AFM 平台上使用。

牛津仪器Asylum Research SCM模式的独特之处在于,它不仅可以测量微分电容(dC/dV),还可以测量分辨率低至1aF的电容,而且是可以直接测量电容。与传统的SCM相比,它具有更高的分辨率和更快的扫描速度。更高的灵敏度允许探测金属和绝缘体,以及传统半导体器件以外的非线性材料——包括那些不形成自然氧化物层的材料。

图1 静态随机存储 (SRAM) 样品。所有通道同时获得了29µm扫描区域:a:形貌;b:dC/dV振幅(与掺杂浓度成反比);c:dC/dV相位(蓝色表示p型掺杂,红色表示n型掺杂);d:电容(与掺杂浓度有线性关系);

电容,而不仅仅是dC/dV

传统的SCM模式只能提供微分电容(dC/dV)数据,这大大限制了用户从测量数据中得出的结论。牛津仪器Asylum Research全新设计的SCM模式具有独特的能力,可以提供dC/dV和电容数据,因此可以获得更完整的材料表征。电容通道对掺杂水平提供线性响应,并检测电容的变化,分辨率可达1 aF。全新的SCM模式是一个强大的工具,可以用于材料的纳米电子特性描述。

更快的成像

牛津仪器Asylum Research全新的高带宽SCM电路允许以高达26 Hz的扫描频率采集高质量的dC/dV和电容数据。传统的SCM模式的带宽要低得多,并且在扫描速率为>1 Hz时数据质量明显退化。全新的SCM模式在高达26Hz的扫描频率下几乎没有信息丢失。这种更快的成像改进了用户体验并大大提高了工作效率。

不同扫描速度比较的SRAM样品。微分电容(dC/dV)振幅图像给出了相同的5µm区域内扫描率从1 Hz到26 Hz的结果。以最快的速度数据质量几乎保持不变,但是图像只需要1秒就可以获得,而传统的SCM需要5-10分钟。

图2 微分电容(dC/dV)振幅图像

更高的分辨率

牛津仪器Asylum Research全新设计的SCM模式显示出更高的灵敏度,因此可以获得更高的分辨率的图像。以前被认为使用SCM模式由于信号弱难以图像的样品,现在可以常规地获得图像。右侧图中,采用全新的SCM模式对单壁碳纳米管(CNT)进行成像,横向分辨率约为25 nm。

图3 绝缘基板上碳纳米管的电容数据与3D形貌叠加图

样品是绝缘基板上的碳纳米管。电容数据叠加在3D形貌图上。图像范围2 µm。样品由Harvard Center for Nanoscale Systems的 B.Wilson和J.Tresback提供。

二维材料研究

SCM在表征二维材料独特物理和电子特性有着广泛的应用前景。右边的图像是沉积在硅上的CulnS,电容信号与剥离材料厚度的具有很高的相关性,因此利用SCM模式分辨二维材料层厚度具有良好的潜力。

图4 CulnS沉积在硅上的电容数据和3D形貌叠加图

样品CulnS沉积在硅上,电容数据叠加在在3D形貌图上,扫描范围20µm,样品由Northwestern的University M. Cheng和V. Dravid教授提供。

电池材料研究

能量存储是SCM可以提供重要信息的另一个研究领域。右图中给出了一个电池的测试电极,在电容通道中可以观察到明显的对比。单个晶粒和晶界处的电容信号的变化为了解电子传导提供了依据。这些数据可以与导电AFM和电化学应变显微镜相关联,以进一步了解结构和功能特性。

图5 测试电池的电极,扫描范围30µm。a:形貌图;b:电容图;

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