[논문 리뷰] Time Dependent Inelastic Emission and Capture of Localized Electrons in Si n-MOSFETs Under Microwave Irradiation

Enrico Prati, M. Fanciulli외 3명|arXiv (Cornell University)|2007. 12. 11.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 27인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 조사가 초미세 n-MOSFET 내 국소화된 전자의 특성 포획 및 방출 시간에 영향을 미치는 방식을 정량적으로 규명한다. 마이크로파에 의해 기판 단자에서 시간에 따라 변하는 전압 변동이 유도되며, 이는 전자 포획 시간 τ_c 가 증가하는 마이크로파 전력에 따라 감소하고, 방출 시간 τ_e 는 거의 일정하게 유지됨을 이론적 모델과 실험을 통해 입증한다. 주기적인 전이 확률 조절 기반 이론 모델을 사용하여, 다양한 전력 수준에서 이론과 측정 결과 간에 뛰어난 일치를 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초미세 n-MOSFET 내 마이크로파 조사가 시간에 따라 변화하는 비탄성 방출 및 포획에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 마이크로파 필드에 의해 유도된 주기적 전압 조절 조건에서 특성 포획 및 방출 시간(τ_c, τ_e)의 변화를 정량적으로 모델링하기 위해.
• 마이크로파 조사 하에서 랜덤 텔레그래프 신호(RTS) 다이내믹스의 실험적 측정 결과와 이론 예측을 비교 검증하기 위해.
• 이러한 영향이 양자 정보 장치에서 전류 감지 기반 단일 스핀 공 resonance 감지에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파 주파수 f_mw 에서 정현파 교류 전원으로 드레인, 소스, 게이트 단자에서 유도된 마이크로파 유도 전압 조절을 모델링함. 위상은 회로 기하구조에 의해 결정됨.
• 주기적 조절 조건 하에서 전압에 의존하는 포획 및 방출 속도 τ_c⁻¹ 및 τ_e⁻¹ 에 기반해 시간 평균 전이 확률 λ_c 와 λ_e 를 유도함.
• 마이크로파 조사에 의해 유도된 정적 전류를 이용해 마이크로파 전력 P_mw 에 따라 변화하는 효과적 조절 전압 V_D,eq 및 V_S,eq 를 추출함.
• 실험적 RTS 데이터에 최적화하기 위해 V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mw 를 사용해 τ_c 의 전력 의존성 예측 및 검증함.
• 드레인 및 소스 동시 조절 조건을 고려한 모델 확장. V_D,eq 와 V_S,eq 간의 위상 관계(0 또는 π)를 반영함.
• 전압 주기 동안 전이 확률을 수치적으로 평균화하여 마이크로파 전력에 따른 평균 τ_c 와 τ_e 를 계산함. 실험적으로 측정된 V_D,eq 와 V_S,eq 를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로파 조사가 n-MOSFET 내 국소화된 전자의 특성 포획 및 방출 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 마이크로파 전력과 전자 포획/방출 다이내믹스 조절 간의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 관측된 RTS 특성 시간의 변화는 마이크로파에 의해 유도된 정적 전류로부터 예측할 수 있는가?
• RQ4 드레인 전용 조절 대비 드레인 및 소스 동시 조절의 결합 구성이 조사 조건에서 측정된 시간 상수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 마이크로파에 의해 유도된 효과가 전류 감지 실험에서 단일 스핀 공 resonance 신호를 어떻게 모방하거나 가로막을 수 있는가?

주요 결과

• 포획 시간 τ_c 는 마이크로파 전력 증가에 따라 크게 감소하지만, 방출 시간 τ_e 는 약 0.7 ms로 거의 일정하게 유지됨.
• 이론적 예측된 τ_c 의 전력 의존성은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 핵심 피팅 매개변수로 V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mw 를 사용함.
• 실험적으로 소스 전압 조절 진폭은 V_S,eq = 0.25 [V/W^{1/2}] · √P_mw 로 측정되어 실험 설정에서 대칭적 결합이 확인됨.
• 드레인 및 소스가 동일 위상으로 동시에 조절될 경우, 모델은 마이크로파 전력에 따른 τ_c 와 τ_e 의 이동을 정확히 예측하며, 전압 주기 동안의 수치적 평균화를 적용함.
• 이론적 프레임워크는 마이크로파에 의해 유도된 정적 전류와 RTS 시간 상수 변화를 모두 성공적으로 기술함.
• 결과적으로 마이크로파에 의해 유도된 효과가 단일 스핀 공 resonance 신호를 모방하거나 가려낼 수 있으며, 저온 양자 장치 측정에 있어 중요한 고려사항임이 나타남.