[論文レビュー] Time Dependent Inelastic Emission and Capture of Localized Electrons in Si n-MOSFETs Under Microwave Irradiation

Enrico Prati, M. Fanciulli+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2007

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 27被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、マイクロ波照射がサブミクロンn-MOSFET内の局在電子の特徴的な捕獲および放出時間に及ぼす影響を定量的に示している。周期的電圧変調を引き起こすマイクロ波による時間依存的電圧揺らぎを考慮した理論モデルを用いて、著者らは捕獲時間τ_cがマイクロ波出力が増加するにつれて短縮するが、放出時間τ_eはほぼ一定であることを予測し、実験的にも確認した。理論と測定値の一致は、さまざまな出力レベルにおいて良好である。

ABSTRACT

Microwave irradiation causes voltage fluctuations in solid state nanodevices. Such an effect is relevant in atomic electronics and nanostructures for quantum information processing, where charge or spin states are controlled by microwave fields and electrically detected. Here the variation of the characteristic times of the multiphonon capture and emission of a single electron by an interface defect in submicron MOSFETs is calculated and measured as a function of the microwave power, whose frequency of the voltage modulation is assumed to be large if compared to the inverse of the characteristic times. The variation of the characteristic times under microwave irradiation is quantitatively predicted from the microwave frequency dependent stationary current generated by the voltage fluctuations itself. The expected values agree with the experimental measurements. The coupling between the microwave field and either one or two terminals of the device is discussed. Some consequences on nanoscale device technology are drawn.

研究の動機と目的

• サブミクロンn-MOSFETにおける電子の時間依存的非弾性放出および捕獲に、マイクロ波照射がどのように影響するかを理解すること。
• マイクロ波場によって誘発される周期的電圧変調の下で、特徴的な捕獲および放出時間（τ_c、τ_e）の変化を定量的にモデル化すること。
• マイクロ波照射下でのランダムトランジスタシグナル（RTS）ダイナミクスの実験的測定結果と理論予測を照合すること。
• これらの効果が、量子情報デバイスにおける電流センシングに基づく単一スピン共鳴検出に与える影響を評価すること。

提案手法

• マイクロ波周波数f_mwの正弦波交流電源として、ドレイン、ソース、ゲート端子におけるマイクロ波誘起電圧変調をモデル化し、回路の幾何配置に従って位相を決定する。
• 周期的変調下での電圧依存捕獲率τ_c⁻¹および放出率τ_e⁻¹に基づき、時間平均遷移確率λ_cおよびλ_eを導出する。
• マイクロ波照射による誘導電流を用いて、有効な変調電圧V_D,eqおよびV_S,eqをマイクロ波出力P_mwの関数として抽出する。
• V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mwの関係を用いて、τ_cの出力依存変化を予測し、実験的RTSデータへのフィッティングで妥当性を検証する。
• ドレインおよびソースの同時変調を含む場合に一般化し、V_D,eqおよびV_S,eq間の位相差（0またはπ）を考慮する。
• 電圧周期全体にわたる数値平均を用いて遷移確率を平均化し、実験的に測定されたV_D,eqおよびV_S,eqを用いて、τ_cおよびτ_eの平均値をマイクロ波出力の関数として計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ波照射は、n-MOSFET内の局在電子の特徴的な捕獲および放出時間にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 マイクロ波出力とそれに伴う電子捕獲／放出ダイナミクスの変調との間の定量的関係は何か？
• RQ3 観測されたRTSの特徴的時間定数の変化は、マイクロ波誘起定常電流から予測可能か？
• RQ4 ドレインのみの照射とドレインおよびソースの両方の照射という、結合設定の違いが、照射下での測定時間定数にどのように影響するか？
• RQ5 マイクロ波誘起効果が、電流センシング実験における単一スピン共鳴信号をどれほど模倣または隠蔽する可能性があるか？

主な発見

• 捕獲時間τ_cはマイクロ波出力が増加するにつれて顕著に短縮されるが、放出時間τ_eは約0.7 msでほぼ一定である。
• 理論的予測におけるτ_cの出力依存変化は、実験データと良好に一致しており、V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mwを主要なフィッティングパラメータとして用いている。
• 実験的に測定されたソース電圧変調振幅はV_S,eq = 0.25 [V/W^{1/2}] · √P_mwであり、実験設定における対称的結合を裏付けている。
• ドレインおよびソースが同位相で変調される場合、モデルはτ_cおよびτ_eの出力依存的シフトを、電圧サイクル全体の数値平均を用いて正確に予測している。
• モデルは、マイクロ波誘起定常電流およびRTS時間定数の変化を、統一された理論枠組み内でうまく記述している。
• 結果から、マイクロ波誘起効果が単一スピン共鳴信号を模倣または隠蔽する可能性があり、低温量子デバイス測定において重要な検討事項であることが示唆された。