Неизовалентные примесные атомы вводят в полупроводники намеренно, с целью изменения электронных и оптических характеристик. Концентрация таких примесей, как правило, очень низкая, поэтому их количество в полупроводниковых приборах с размерами ~ 10 нм можно буквально пересчитать по пальцам. А в литературе уже обсуждаются физические принципы и конструкция устройств на основе всего одной-двух примесей. Спиновые и/или зарядовые состояния доноров предполагается, в частности, использовать для организации работы твердотельных квантовых компьютеров. Все это требует разработки методов определения электронных и магнитных характеристик отдельных примесных атомов, а также способов контроля их месторасположения в образце.

Американские физики из Michigan State University и Bell Laboratories (США) разработали локальную методику “сканирующей одноэлектронной емкостной спектроскопии”, которая позволила им исследовать спектры зарядки индивидуальных доноров Si в гетероструктурах GaAs/AlGaAs. Согласно этой методике, двумерный электронный газ (2DEG), расположенный параллельно слою Al_0.3Ga_0.7As (в котором хаотически распределены доноры Si), играет роль одной из обкладок конденсатора, а функцию второй “обкладки” выполняет металлическая игла сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), соединенная с чувствительным датчиком заряда, (см. рис.).

Схематическая иллюстрация методики, использованной в работе [1] для “зондирования” отдельных доноров Si в Al_0.3Ga_0.7As

Если игла СТМ находится непосредственно над одним из доноров, то переменное напряжение, приложенное к 2DEG, индуцирует резонансные осцилляции заряда между донором и 2DEG, что приводит к появлению на игле “заряда изображения” и соответствующему увеличению емкости. В работе [1] при сканировании вдоль поверхности наблюдались как узкие пики емкости, появляющиеся при прохождении иглы над отдельными донорами, так и широкие пики, происхождение которых авторы связывают с “двухдонорными молекулами”. Спектр зарядки таких “молекул” в [1] определен впервые. Предложенная в [1] методика может быть использована, в том числе, для исследования влияния статического электрического поля на энергетический спектр взаимодействующих донорных атомов. Недостатком этой методики является потребность в сверхнизких (милликельвинных) температурах и высокой чувствительности СТМ (~ 0.01 eГц^-1/2), что на сегодняшний день могут себе позволить лишь несколько лабораторий в мире.

Автор – Л. Опенов

• 1. I.Kuljanishvili et al., Nature Phys. 4, 227 (2008)