Microscopía de capacitancia de barrido

La microscopía de capacitancia de barrido ( SCM ) es una variante de la microscopía de sonda de barrido en la que un electrodo de sonda estrecho se coloca en contacto o muy cerca de la superficie de la muestra y se escanea. La SCM caracteriza la superficie de la muestra utilizando la información obtenida a partir del cambio en la capacitancia electrostática entre la superficie y la sonda.

El nombre Microscopía de Capacitancia de Barrido 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 vídeo que fue precursora del DVD. Desde entonces, se ha adaptado para su uso en combinación con microscopios de sonda de barrido para medir otros sistemas y materiales, siendo el perfilado de dopaje de semiconductores el más frecuente.

La microscopía de capacitancia aplicada a semiconductores utiliza una sonda conductora ultraafilada (a menudo una película delgada de Pt/Ir o Co/Cr aplicada a una sonda de silicio grabada) para formar un condensador metal-aislante-semiconductor (MIS/MOS) con una muestra de semiconductor si hay óxido nativo presente. 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 al. utilizó el sensor de capacitancia de disco de vídeo RCA conectado a la sonda para detectar los pequeños cambios en la capacitancia superficial del semiconductor (de attofaradios a femptofaradios). La punta se escanea a través de la superficie del semiconductor mientras que su altura 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 se agotan alternativamente en las capas superficiales del semiconductor, modificando la capacitancia entre la punta y la muestra. La magnitud de este cambio de capacitancia con la tensión aplicada proporciona información sobre la concentración de portadores (datos de amplitud de SCM), mientras que la diferencia de fase entre el cambio de capacitancia y la polarización alterna aplicada aporta información sobre el signo de los portadores de carga (datos de fase de SCM). Dado que la técnica SCM funciona incluso a través de una capa aislante, no se requiere una conductividad finita para medir las propiedades eléctricas.

En las superficies conductoras, el límite de resolución se estima en 2  nm. ^{[ 2 ]} Para alta resolución, se requiere el análisis rápido de la capacitancia de un capacitor con electrodo rugoso. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Esta resolución de 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.

Debido a la alta resolución espacial de SCM, ^{[ 2 ]} es una herramienta útil de caracterización nanoespectroscopía. Algunas aplicaciones de la técnica SCM incluyen el mapeo del perfil de dopante en un dispositivo semiconductor a una escala de 10  nm, ^{[ 5 ]} la 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 puntos cuánticos de germanio individuales con diferentes formas. ^{[ 7 ]} La alta sensibilidad de la microscopía de capacitancia de barrido dinámico, ^{[ 8 ]} en la que la señal de capacitancia se modula 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 gas de electrones bidimensional ( 2DEG ) enterrado 50 nm debajo de una capa aislante en un gran campo magnético y a temperaturas criogénicas. ^{[ 9 ]}