[论文解读] 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 4

一句话总结

本文为Si/SiO₂界面处的自旋依赖性复合过程提出了一套半经典的理论，解释了金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）中的近零场磁阻（NZFMR）和电学检测磁共振（EDMR）现象。研究表明，通过核自旋的超精细相互作用可实现自旋混合，且与纯量子模型不同，该半经典模型能够同时成功解释NZFMR与EDMR响应，解决了以往在参数拟合中的不一致问题。

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.

研究动机与目标

• 解决目前缺乏通用理论框架以解释Si/SiO₂ MOSFET中EDMR与NZFMR现象的问题。
• 解决先前量子模型与实验数据在NZFMR与EDMR方面存在的不一致性。
• 解释为何量子模型无法同时准确描述EDMR与NZFMR的线型特征。
• 建立氧化物-半导体界面处自旋依赖性复合过程的统一理论模型。
• 证明超精细相互作用的半经典近似比完全量子处理更能准确捕捉实验行为。

提出的方法

• 通过随机刘维尔方程推广Shockley-Read-Hall复合理论，以模拟自旋动力学。
• 通过Si/SiO₂界面处电子自旋与核自旋之间的超精细相互作用来建模自旋混合。
• 比较超精细耦合的量子与半经典处理方式，表明其预测的电流响应存在显著差异。
• 利用偏压依赖的NZFMR与EDMR测量数据，约束捕获速率（kS）与解离速率（kD）等模型参数。
• 对实验线型进行非线性最小二乘拟合，以提取超精细耦合常数与同位素丰度。
• 分析EDMR与NZFMR振幅在正向偏压下的依赖关系，以验证模型与直流-IV复合电流的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何超精细相互作用的量子模型无法同时解释Si/SiO₂界面中的NZFMR与EDMR响应？
• RQ2 在近零磁场条件下，描述自旋依赖性复合电流的正确理论框架是什么？
• RQ3 电子捕获速率（kS）与解离速率（kD）如何影响EDMR与NZFMR相对振幅的关系？
• RQ4 超精细耦合的半经典近似是否能准确描述EDMR与NZFMR现象？
• RQ5 为何先前基于量子拟合的NZFMR与预测的可忽略EDMR之间存在显著差异？

主要发现

• 超精细相互作用的半经典模型能够一致地解释NZFMR与EDMR，而纯量子模型则不能。
• 该模型表明，较小的kS与kD值（与实验趋势一致）可增强EDMR相对于NZFMR的响应，从而解决了以往的不一致问题。
• 实验EDMR振幅与理论预测振幅的比值随正向偏压增加而上升，表明其与直流-IV复合电流存在强相关性。
• 电子自旋与缺陷自旋之间的超精细相互作用，是最合理的解释，可说明NZFMR与EDMR中观测到的线型特征。
• 该模型将以往研究中的不一致归因于对kS与kD为常数的假设，而实际上它们更应被描述为分布在一系列值上的分布。
• 该理论成功解释了自旋依赖性复合的偏压依赖性，支持其在真实器件中自旋依赖性陷阱辅助输运（SDTAT）中的适用性。