[論文レビュー] Dispersive charge transport along the surface of an insulating layer observed by Electrostatic Force Microscopy

J. Lambert, G. de Loubens+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2003

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、横方向の電界下で熱酸化シリコン層の表面を伝わる数千個の電子の分散的電荷輸送を直接観察するために静電力顕微鏡（EFM）が用いられた。研究者たちは、表面状態におけるトラップを介したホッピング輸送が電子移動度に強く影響することを示し、測定された移動度は0.15 cm²·V⁻¹·s⁻¹であった。これは、確率的トラップおよび脱トラッププロセスに起因する非拡散的・分散的輸送行動を確認するものである。

ABSTRACT

We report the observation in the direct space of the transport of a few thousand charges submitted to a tunable electric field along the surface of a silicon oxide layer. Charges are both deposited and observed using the same Electrostatic Force Microscope. During the time range accessible to our measurements (i.e. $t=1\sim1000\un{s}$), the transport of electrons is mediated by traps in the oxide. We measure the mobility of electrons in the "surface" states of the silicon oxide layer and show the dispersive nature of their motion. It is also demonstrated that the saturation of deep oxide traps strongly enhance the transport of electrons under lateral electric field.

研究の動機と目的

• 印加電界下における絶縁酸化物層表面での電荷輸送の実空間的ダイナミクスを調査すること。
• 空間的・時間的変化を直接画像化することで、電荷輸送が拡散的か分散的かを特定すること。
• 特にトラップ占有状態の変化に応じて、熱SiO2の表面状態における電子の移動度および輸送状態を特徴づけること。
• 低電界下における深層酸化物トラップが横方向電子輸送をどのように強化するかを評価すること。
• マクロな電流測定による曖昧さを解消するため、非晶質絶縁体における分散的輸送の直接的実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 400 nmの熱SiO2層表面に局所的な電荷パケットを堆積および画像化するために静電力顕微鏡（EFM）が用いられた。
• 金属チップとSiO2表面との接触起電により電荷を堆積させ、電圧および時間の調整により電荷量と分布を制御した。
• 10 µm間隔の埋め込み歯型電極を介して横方向電界を印加し、表面で約10⁴ V·m⁻¹の電界を生成した。
• 時間分解EFM画像により、1–1000 sの時間的経過における電荷分布の横方向移動および変形を追跡した。
• 測定されたプロファイルから、電荷パケットの最大位置および一次モーメント（重心）を抽出し、輸送行動を評価した。
• 移動度は、一次モーメントの時間発展に対する線形フィットから推定され、横方向輸送における電荷分率が一定であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁酸化物層表面において、分散的電荷輸送を実空間で直接観察できるか？
• RQ2 酸化物表面状態に捕らわれた電荷が、電子の横方向移動度にどのように影響するか？
• RQ3 SiO2表面を伝わる電子の輸送は拡散的か分散的か。その根拠は何であるか？
• RQ4 低横方向電界下における熱SiO2の表面状態における電子の有効移動度は何か？
• RQ5 深層トラップの飽和が、表面電荷の横方向輸送にどのように影響するか？

主な発見

• 横方向電界下における電荷パケットの横方向移動は、電子がトラップを介したホッピングによってSiO2表面を移動していることを確認した。
• 表面状態における電子の測定された移動度は0.15 cm²·V⁻¹·s⁻¹であり、SiO2のバルク電子移動度より顕著に低く、ホール移動度よりは高いことから、電子輸送が支配的であることが裏付けられた。
• 非線形的かつ非対称的な電荷分布の変形、および最大値と一次モーメントの非平行な時間的発展は、拡散的運動ではなく分散的輸送を示している。
• 深層酸化物トラップが事前に飽和している場合、輸送が顕著に強化されることから、トラップ占有状態が横方向電荷輸送のダイナミクスを支配することが示された。
• 横方向電界がない場合の拡散なしの挙動から、電荷移動は画像力およびトラップを介した運動によって駆動されており、拡散によるものではないことが示された。
• 本研究は、実空間における電荷パケットの時間的変化を画像化することで、絶縁酸化物における分散的輸送の直接的かつ明確な証拠を提供した。これにより、統合電流測定による曖昧さが解消された。