有害电子噪声在半导体中的潜在应用

尽管半导体技术的主要焦点通常是化和控制噪声以提高器件性能和可靠性，但电子噪声的一些潜在应用是有意义的，例如：

随机数生成：电子噪声，尤其是热噪声，本质上是不可预测的。可以利用这种随机性来生成随机数，这对于包括密码学、安全通信和模拟在内的各种应用至关重要。

抖动：这是一种用于增强数字系统分辨率的技术。通过将受控噪声引入系统，可以提高测量精度并减少量化误差。

随机共振：当向系统添加噪声改善弱信号的检测时，就会发生随机共振现象。应用领域包括信号处理和通信系统。

缺陷表征：在半导体材料中，噪声可能是由杂质或缺陷引起的。分析噪声频谱可以帮助表征这些缺陷及其对设备性能的影响。

随机电报噪声 (RTN) 是半导体器件（尤其是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和其他纳米级晶体管）中常见的一种电子噪声。RTN 也称为突发噪声，其特点是离散电流水平之间的随机和突然切换，如图 1 所示。它是由半导体材料内或在半导体-电介质界面。这种捕获和释放的过程会导致晶体管电流随着时间的推移而波动。

图 1：RTN（突发）噪声的典型模式（维基百科）。

图 1：RTN（突发）噪声的典型模式（维基百科）

RTN 可以对半导体器件的性能和可靠性产生重大影响，特别是当晶体管尺寸缩小且器件尺寸接近纳米级时。阈值电压、亚阈值斜率和放电电流等器件特性的变化会影响电子电路的精度和稳定性。

除了缺陷表征之外，RTN 还可以为器件可靠性评估提供有价值的见解。在这里，RTN可以作为半导体器件长期可靠性的指标。它可用于评估设备随时间的稳定性和退化情况。观察 RTN 特性在各种操作条件下如何变化可以帮助制造商预测产品的使用寿命和潜在的故障模式。

研究人员的发现

研究人员发现了不需要的电子噪声（例如 RTN）在半导体中的潜在应用。由 LEE Young Hee 教授领导的团队证明，通过在二硒化钨 (V-WSe2) 中插入钒作为微小磁性掺杂剂，可以在 vdW 层状半导体中产生磁波动及其产生的巨大 RTN 信号。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

二硒化钨是由钨（W）和硒（Se）原子以特定晶格结构排列组成的化合物。它属于一类被称为过渡金属二硫属化物（TMD）的材料，近年来由于其独特的电子、光学和机械性能而受到广泛关注。二硒化钨等 TMD 是二维材料，这意味着它们由原子薄层组成，层内具有强共价键，但层间范德华力较弱。

二硒化钨具有一些有趣的特性，包括：

半导体行为：二硒化钨是一种半导体，这意味着在一定条件下它可以导电。它适用于多种电子和光电应用，因为它的电子特性可以通过施加电场来改变。

层状结构：与石墨烯类似，该材料由多层堆叠而成。每层仅由几个原子组成，这有助于其独特的性能和潜在的应用。

电气和光学特性：由于其导电性和光学特性，它被用于晶体管、发光二极管（LED）和其他电子元件。此外，二硒化钨的间接带隙使其能够有效地吸收和发射光。这一特性使其适合用于光电探测器、太阳能电池和其他光电设备。

随机电报噪声常由半导体中的二态缺陷引起。与三维 (3D) 对应物相比，二维 (2D) 范德华 (vdW) 层状磁性材料预计会因长程库仑相互作用而表现出巨大的波动。更重要的是，这些波动可能由电压控制，这比 3D 同类产品的大电荷屏蔽具有显着优势。

研究人员利用垂直磁隧道结器件研究多层掺钒二硒化钨（WSe2），发现该材料表现出电控磁波动和RTN信号。

在横向器件中，高接触电阻通常会抑制量子态的表现并降低器件本身的性能。为此，研究人员通过在顶部和底部石墨烯电极之间夹入几层磁性材料V-WSe2，推出了一种垂直磁隧道结器件。即使钒掺杂浓度为 0.2%，这种垂直磁隧道结器件也能够表现出磁涨落等量子态，并产生高振幅的 RTN 信号。

研究人员在利用这些设备进行电阻测量研究时，检测到 RTN 在明确定义的两个稳定状态之间的振幅高达 80%。由于磁域之间的层内和层间耦合之间的斗争，双稳态的特征是电阻的磁性变化随着温度的增加而增加。他们能够通过寻找 RTN 直方图中的离散高斯峰值并结合噪声功率谱中的特定特征来确定这种双稳态磁状态的身份。

研究人员发现重要的是，他们只需切换电压的极性即可改变 RTN 的截止频率以及 RTN 的双稳态磁状态。这一非凡的发现为1/f 2噪声光谱在磁性半导体中的应用铺平了道路，并为自旋电子学中的磁开关提供了可能性。

图 2 显示了 RTN 信号的时间演化以及负 (a) 和正 (b) 电压下噪声功率谱中1/f 2特征的 RTN 直方图。在1/f 2直方图中，高电阻状态对应于层(a)之间的反平行自旋状态，而低电阻状态对应于层(b)之间的平行自旋状态。