[논문 리뷰] Near-Zero-Field Spin-Dependent Recombination Current and Electrically Detected Magnetic Resonance from the Si/SiO$_2$ interface

Nicholas J. Harmon, James P. Ashton외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 18.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실리콘/실리카 산화물 인터페이스에서 스핀에 의존하는 재결합에 대한 양자역학적 이론을 개발하며, MOSFET에서 근접 영구자기장에서의 전기적 저항도 변화(NZFMR)와 전기적으로 검출된 자기공명(EDMR)을 설명한다. 비틀림 상호작용을 통해 핵 스핀을 통해 스핀 혼합이 가능하며, 순수한 양자 모델과는 달리, 이 이론적 접근은 양자역학적 모델이 실패하는 바를 해결하고, 동시에 NZFMR와 EDMR 반응을 성공적으로 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Si/SiO₂ MOSFET에서 EDMR 및 NZFMR를 해석하기 위한 일반적인 이론적 프레임워크 부족 문제를 해결하기 위해.
• 이전의 양자 모델과 실험 데이터 사이의 일관성 없는 점을 해결하기 위해, NZFMR 및 EDMR 모두에 대해.
• 왜 양자 모델이 동시에 EDMR 및 NZFMR 선형형태를 설명하지 못하는지 설명하기 위해.
• 산화물-반도체 인터페이스에서 스핀에 의존하는 재결합을 위한 통합된 이론적 모델을 수립하기 위해.
• 비틀림 상호작용의 양대칭 근사가 완전한 양자 처리보다 실험적 거동을 더 잘 캐릭터라이즈한다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 스토케스틱 리우빌 방정식을 사용하여 쇼크 ley-리드-홀 재결합 이론을 일반화하여 스핀 동역학을 모델링한다.
• 실리콘/실리카 인터페이스에서 전자 스핀과 핵 스핀 간의 비틀림 상호작용을 통해 스핀 혼합을 모델링한다.
• 비틀림 결합의 양자적 및 양대칭적 처리를 비교하여 예측된 전류 반응의 상이함을 보여준다.
• kS 및 kD와 같은 모델 파라미터(포획 및 해리 속도)를 제약하기 위해, NZFMR 및 EDMR의 전압 의존 측정을 사용한다.
• 실험적 선형형태에 비선형 최소 제곱 피팅을 수행하여 비틀림 결합 상수 및 농도를 추출한다.
• dc-IV 재결합 전류와의 일치를 검증하기 위해, EDMR 및 NZFMR 진폭의 정방향 전압 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 비틀림 상호작용의 양자 모델이 Si/SiO₂ 인터페이스에서 동시에 NZFMR 및 EDMR 반응을 설명하지 못하는가?
• RQ2 근접 영구자기장 하에서 스핀에 의존하는 재결합 전류를 기술하기 위한 올바른 이론적 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 전자 포획(kS) 및 해리(kD) 속도가 EDMR 및 NZFMR 상대 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비틀림 결합의 양대칭 근사는 EDMR 및 NZFMR 현상을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 이전의 양자 피팅에서 NZFMR에 대한 피팅은 양호했지만, 동일한 피팅이 예측한 EDMR는 근본적으로 무시할 만큼 작았던 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 비틀림 상호작용의 양대칭 모델은 순수한 양자 모델과 달리, NZFMR 및 EDMR에 대해 일관된 설명을 제공한다.
• 이 모델은 kS 및 kD의 작은 값—실험적 경향과 일치하는 값—이 EDMR를 NZFMR에 비해 강화시킨다는 것을 보여주며, 이는 이전의 일관성 없는 결과를 해결한다.
• 실험적 진폭 대 이론적 진폭의 비율은 정방향 전압이 증가함에 따라 증가하며, 이는 dc-IV 재결합 전류와 강한 상관관계가 있음을 시사한다.
• 전자 스핀과 결함 스핀 양쪽 모두에서의 비틀림 상호작용이, NZFMR 및 EDMR 양쪽에서 관찰된 선형형태 특징에 가장 타당한 설명이다.
• 이전 연구의 이질성은 kS 및 kD가 일정하다는 가정에서 기인한 것으로, 이들은 오히려 다양한 값의 분포로 더 잘 기술될 수 있다.
• 이 이론은 스핀에 의존하는 재결합의 전압 의존성을 성공적으로 설명하며, 실제 장치에서 스핀에 의존하는 트랩 보조 전도(SDTAT)에의 적용 가능성을 뒷받침한다.