[论文解读] 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 11

一句话总结

该论文定量证明了微波辐照通过在器件端子处诱导与时间相关的电压波动，调节了亚微米n-MOSFET中局域电子的特征捕获与发射时间。基于周期性调制跃迁概率的理论模型，作者预测并实验验证了捕获时间τ_c随微波功率增加而减小，而发射时间τ_e基本保持不变，理论与测量结果在不同功率水平下具有极佳的一致性。

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.

研究动机与目标

• 理解微波辐照如何影响亚微米n-MOSFET中电子的时变非弹性发射与捕获过程。
• 在微波场诱导的周期性电压调制下，对特征捕获与发射时间（τ_c, τ_e）的变化进行定量建模。
• 将理论预测与微波辐照下随机电报信号（RTS）动力学的实验测量结果进行对比验证。
• 评估这些效应对基于电流传感的单自旋共振探测在量子信息器件中的影响。

提出的方法

• 将微波在漏极、源极和栅极端子处引起的电压调制建模为频率为f_mw的正弦交流电源，相位由电路几何结构决定。
• 从周期性调制下依赖电压的捕获与发射速率τ_c⁻¹和τ_e⁻¹推导出时间平均的跃迁概率λ_c和λ_e。
• 利用微波辐照引起的稳态电流，提取有效调制电压V_D,eq和V_S,eq作为微波功率P_mw的函数。
• 应用关系式V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mw预测τ_c随功率的变化，通过拟合实验RTS数据进行验证。
• 将模型扩展至漏极与源极同时调制的情况，考虑V_D,eq与V_S,eq之间的相位关系（0或π）。
• 通过对一个周期内跃迁概率进行数值平均，计算τ_c和τ_e随微波功率变化的平均值，使用实验测得的V_D,eq和V_S,eq。

实验结果

研究问题

• RQ1 微波辐照如何改变n-MOSFET中局域电子的特征捕获与发射时间？
• RQ2 微波功率与电子捕获/发射动力学调制之间存在何种定量关系？
• RQ3 能否从微波引起的稳态电流中预测观测到的RTS特征时间变化？
• RQ4 耦合构型（仅漏极 vs. 漏极与源极）如何影响辐照下测得的时间常数？
• RQ5 微波引起的效应在多大程度上可能模拟或掩盖基于电流传感的单自旋共振信号？

主要发现

• 捕获时间τ_c随微波功率增加显著减小，而发射时间τ_e基本保持恒定，约为0.7 ms。
• 理论预测的τ_c随微波功率的变化与实验数据高度一致，关键拟合参数为V_D,eq = 1.15 [V/W^{1/2}] · √P_mw。
• 实验测得的源极电压调制幅度为V_S,eq = 0.25 [V/W^{1/2}] · √P_mw，证实了实验装置中对称的耦合特性。
• 当漏极与源极同相调制时，模型能准确预测τ_c与τ_e随微波功率的变化，数值平均基于电压周期完成。
• 该模型成功地在统一的理论框架下描述了微波引起的稳态电流以及RTS时间常数的变化。
• 结果表明，微波引起的效应可能模拟或掩盖单自旋共振信号，对低温量子器件测量构成关键考量。