有害電子噪聲在半導體中的潛在應用

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-11-16 15:41:00

　盡管半導體技術的主要焦點通常是化和控制噪聲以提高器件性能和可靠性，但電子噪聲的一些潛在應用是有意義的，例如：
　隨機數(shù)生成：電子噪聲，尤其是熱噪聲，本質上是不可預測的?？梢岳眠@種隨機性來生成隨機數(shù)，這對于包括密碼學、安全通信和模擬在內的各種應用至關重要。
　抖動：這是一種用于增強數(shù)字系統(tǒng)分辨率的技術。通過將受控噪聲引入系統(tǒng)，可以提高測量精度并減少量化誤差。
　隨機共振：當向系統(tǒng)添加噪聲改善弱信號的檢測時，就會發(fā)生隨機共振現(xiàn)象。應用領域包括信號處理和通信系統(tǒng)。
　缺陷表征：在半導體材料中，噪聲可能是由雜質或缺陷引起的。分析噪聲頻譜可以幫助表征這些缺陷及其對設備性能的影響。
　隨機電報噪聲 (RTN) 是半導體器件（尤其是MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）和其他納米級晶體管）中常見的一種電子噪聲。RTN 也稱為突發(fā)噪聲，其特點是離散電流水平之間的隨機和突然切換，如圖 1 所示。它是由半導體材料內或在半導體-電介質界面。這種捕獲和釋放的過程會導致晶體管電流隨著時間的推移而波動。

　圖 1：RTN（突發(fā)）噪聲的典型模式（維基百科）。
　圖 1：RTN（突發(fā)）噪聲的典型模式（維基百科）
　RTN 可以對半導體器件的性能和可靠性產(chǎn)生重大影響，特別是當晶體管尺寸縮小且器件尺寸接近納米級時。閾值電壓、亞閾值斜率和放電電流等器件特性的變化會影響電子電路的精度和穩(wěn)定性。
　除了缺陷表征之外，RTN 還可以為器件可靠性評估提供有價值的見解。在這里，RTN可以作為半導體器件長期可靠性的指標。它可用于評估設備隨時間的穩(wěn)定性和退化情況。觀察 RTN 特性在各種操作條件下如何變化可以幫助制造商預測產(chǎn)品的使用壽命和潛在的故障模式。
　研究人員的發(fā)現(xiàn)
　研究人員發(fā)現(xiàn)了不需要的電子噪聲（例如 RTN）在半導體中的潛在應用。由 LEE Young Hee 教授領導的團隊證明，通過在二硒化鎢 (V-WSe2) 中插入釩作為微小磁性摻雜劑，可以在 vdW 層狀半導體中產(chǎn)生磁波動及其產(chǎn)生的巨大 RTN 信號。該研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
　二硒化鎢是由鎢（W）和硒（Se）原子以特定晶格結構排列組成的化合物。它屬于一類被稱為過渡金屬二硫屬化物（TMD）的材料，近年來由于其獨特的電子、光學和機械性能而受到廣泛關注。二硒化鎢等 TMD 是二維材料，這意味著它們由原子薄層組成，層內具有強共價鍵，但層間范德華力較弱。
　二硒化鎢具有一些有趣的特性，包括：
　半導體行為：二硒化鎢是一種半導體，這意味著在一定條件下它可以導電。它適用于多種電子和光電應用，因為它的電子特性可以通過施加電場來改變。
　層狀結構：與石墨烯類似，該材料由多層堆疊而成。每層僅由幾個原子組成，這有助于其獨特的性能和潛在的應用。
　電氣和光學特性：由于其導電性和光學特性，它被用于晶體管、發(fā)光二極管（LED）和其他電子元件。此外，二硒化鎢的間接帶隙使其能夠有效地吸收和發(fā)射光。這一特性使其適合用于光電探測器、太陽能電池和其他光電設備。
　隨機電報噪聲常由半導體中的二態(tài)缺陷引起。與三維 (3D) 對應物相比，二維 (2D) 范德華 (vdW) 層狀磁性材料預計會因長程庫侖相互作用而表現(xiàn)出巨大的波動。更重要的是，這些波動可能由電壓控制，這比 3D 同類產(chǎn)品的大電荷屏蔽具有顯著優(yōu)勢。
　研究人員利用垂直磁隧道結器件研究多層摻釩二硒化鎢（WSe2），發(fā)現(xiàn)該材料表現(xiàn)出電控磁波動和RTN信號。
　在橫向器件中，高接觸電阻通常會抑制量子態(tài)的表現(xiàn)并降低器件本身的性能。為此，研究人員通過在頂部和底部石墨烯電極之間夾入幾層磁性材料V-WSe2，推出了一種垂直磁隧道結器件。即使釩摻雜濃度為 0.2%，這種垂直磁隧道結器件也能夠表現(xiàn)出磁漲落等量子態(tài)，并產(chǎn)生高振幅的 RTN 信號。
　研究人員在利用這些設備進行電阻測量研究時，檢測到 RTN 在明確定義的兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的振幅高達 80%。由于磁域之間的層內和層間耦合之間的斗爭，雙穩(wěn)態(tài)的特征是電阻的磁性變化隨著溫度的增加而增加。他們能夠通過尋找 RTN 直方圖中的離散高斯峰值并結合噪聲功率譜中的特定特征來確定這種雙穩(wěn)態(tài)磁狀態(tài)的身份。
　研究人員發(fā)現(xiàn)重要的是，他們只需切換電壓的極性即可改變 RTN 的截止頻率以及 RTN 的雙穩(wěn)態(tài)磁狀態(tài)。這一非凡的發(fā)現(xiàn)為1/f 2噪聲光譜在磁性半導體中的應用鋪平了道路，并為自旋電子學中的磁開關提供了可能性。

　圖 2 顯示了 RTN 信號的時間演化以及負 (a) 和正 (b) 電壓下噪聲功率譜中1/f 2特征的 RTN 直方圖。在1/f 2直方圖中，高電阻狀態(tài)對應于層(a)之間的反平行自旋狀態(tài)，而低電阻狀態(tài)對應于層(b)之間的平行自旋狀態(tài)。