[論文レビュー] Near-Zero-Field Spin-Dependent Recombination Current and Electrically Detected Magnetic Resonance from the Si/SiO$_2$ interface

Nicholas J. Harmon, James P. Ashton+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2020

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Si/SiO₂界面におけるスピン依存再結合の半古典的理論を展開し、MOSFETにおける近零磁場磁気抵抗（NZFMR）および電気的に検出される磁気共鳴（EDMR）を説明する。ハイフライン相互作用による核スピンを通じたスピン混合が可能であり、完全に量子的モデルとは異なり、半古典的モデルはNZFMRおよびEDMR応答を同時に成功裏に説明でき、これまでのパラメータフィッティングにおける矛盾を解消する。

ABSTRACT

Dielectric interfaces critical for metal-oxide-semiconductor (MOS) electronic devices, such as the Si/SiO$_2$ MOS field effect transistor (MOSFET), possess trap states that can be visualized with electrically-detected spin resonance techniques, however the interpretation of such measurements has been hampered by the lack of a general theory of the phenomena. This article presents such a theory for two electrical spin-resonance techniques, electrically detected magnetic resonance (EDMR) and the recently observed near-zero field magnetoresistance (NZFMR), by generalizing Shockley Read Hall trap-assisted recombination current calculations via stochastic Liouville equations. Spin mixing at this dielectric interface occurs via the hyperfine interaction, which we show can be treated either quantum mechanically or semiclassically, yielding distinctive differences in the current across the interface. By analyzing the bias dependence of NZFMR and EDMR, we find that the recombination in a Si/SiO$_2$ MOSFET is well understood within a semiclassical approach.

研究の動機と目的

• Si/SiO₂ MOSFETにおけるEDMRおよびNZFMRを解釈する一般的な理論的枠組みの欠如に対処すること。
• 従来の量子モデルと実験データとの間に生じる、NZFMRおよびEDMRの両者において一貫性のない点を解消すること。
• なぜ量子モデルがEDMRおよびNZFMRの線形形状を同時に記述できないかを説明すること。
• 酸化物-半導体界面におけるスピン依存再結合の統一理論的モデルを確立すること。
• ハイフライン相互作用の半古典的近似が、完全に量子的取り扱いよりも実験的挙動をよりよく捉えられることを示すこと。

提案手法

• スピンダイナミクスを記述するため、確率的リウヴィル方程式を用いてショックリー＝リード＝ホール再結合理論を一般化する。
• Si/SiO₂界面における電子スピンと核スピンのハイフライン相互作用を通じたスピン混合をモデル化する。
• ハイフライン結合の量子的および半古典的取り扱いを比較し、予測される電流応答における顕著な差を示す。
• kSおよびkD（捕獲および解離率）などのモデルパラメータを制約するため、NZFMRおよびEDMRのバイアス依存測定を用いる。
• 実験的線形形状の非線形最小二乗フィッティングにより、ハイフライン結合定数および同位体分画率を抽出する。
• dc-IV再結合電流と照らし合わせて、EDMRおよびNZFMRのアモルフィーのバイアス依存性を分析し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜハイフライン相互作用の量子的モデルは、Si/SiO₂界面におけるEDMRおよびNZFMR両方の応答を同時に説明できないのか？
• RQ2 近零磁場下におけるスピン依存再結合電流を記述する正しい理論的枠組みは何か？
• RQ3 電子捕獲率（kS）および解離率（kD）の変動が、EDMRおよびNZFMRの相対的アモルフィーにどのように影響を与えるか？
• RQ4 ハイフライン結合の半古典的近似が、EDMRおよびNZFMR現象の両方を正確に記述できるか？
• RQ5 過去の量子的フィッティングにおいて、NZFMRには適合するがEDMRは無視できるほど小さいと予測されたという矛盾は、何によって説明できるか？

主な発見

• ハイフライン相互作用の半古典的モデルは、完全に量子的モデルとは異なり、NZFMRおよびEDMRの両者を一貫して説明できる。
• このモデルは、実験的傾向に一致するようにkSおよびkDが小さい値である場合、EDMRがNZFMRに対して相対的に強くなることを示し、これまでの不一致を解消する。
• 実験的EDMRアモルフィーと理論的EDMRアモルフィーの比は、順方向バイアスとともに増加し、dc-IV再結合電流と強い相関があることを示す。
• 電子スピンおよび欠陥スピンの両方におけるハイフライン相互作用が、NZFMRおよびEDMR両方の観測された線形形状の特徴を最も妥当に説明する。
• 従来の研究における矛盾は、kSおよびkDが一定値であると仮定していたことに起因し、実際には値の分布を持つべきであることが示唆される。
• この理論は、スピン依存再結合のバイアス依存性を成功裏に説明でき、実際のデバイスにおけるスピン依存トラップ補助輸送（SDTAT）への適用可能性を裏付ける。