We develop an efficient back gate for silicon-on-insulator (SOI) devices operating at cryogenic temperatures and measure the quadratic hyperfine Stark shift parameter of arsenic donors in isotopically purified 28Si-SOI layers using such structures. The back gate is implemented using MeV ion implantation through the SOI layer forming a metallic electrode in the handle wafer, enabling large and uniform electric fields up to 2 V/μm to be applied across the SOI layer. Utilizing this structure, we measure the Stark shift parameters of arsenic donors embedded in the 28Si-SOI layer and find a contact hyperfine Stark parameter of ηa = −1.9 ± 0.7 × 10−3μm2/V2. We also demonstrate electric-field driven dopant ionization in the SOI device layer, measured by electron spin resonance.

2.
J. P.
Gordon
and
K. D.
Bowers
,
Phys. Rev. Lett.
1
(
10
),
368
(
1958
).
3.
4.
T. G.
Castner
,
Phys. Rev.
155
(
3
),
816
(
1967
).
5.
A. M.
Tyryshkin
,
S.
Tojo
,
J. J. L.
Morton
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H. J.
Pohl
,
T.
Schenkel
,
M. L. W.
Thewalt
,
K. M.
Itoh
, and
S. A.
Lyon
,
Nature Mater.
11
(
2
),
143
(
2012
).
6.
G.
Wolfowicz
,
A. M.
Tyryshkin
,
R. E.
George
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
M. L. W.
Thewalt
,
S. A.
Lyon
, and
J. J. L.
Morton
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
561
(
2013
).
7.
K.
Saeedi
,
S.
Simmons
,
J. J. L.
Morton
, and
M. L.
Thewalt
,
Science
342
,
830
(
2013
).
8.
A.
Morello
,
J. J.
Pla
,
F. A.
Zwanenburg
,
K. W.
Chan
,
K. Y.
Tan
,
H.
Huebl
,
M.
Möttönen
,
C. D.
Nugroho
,
C.
Yang
,
J. A.
van Donkelaar
,
A. D. C.
Alves
,
D. N.
Jamieson
,
C. C.
Escott
,
L. C. L.
Hollenberg
,
R. G.
Clark
, and
A. S.
Dzurak
,
Nature
467
,
687
(
2010
).
9.
J. J.
Pla
,
K. Y.
Tan
,
J. P.
Dehollain
,
W. H.
Lim
,
J. J. L.
Morton
,
D. N.
Jamieson
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nature
489
,
541
(
2012
).
10.
J. J.
Pla
,
K. Y.
Tan
,
J. P.
Dehollain
,
W. H.
Lim
,
J. J. L.
Morton
,
F. A.
Zwanenburg
,
D. N.
Jamieson
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nature
496
,
334
(
2013
).
11.
F. A.
Mohiyaddin
,
R.
Rahman
,
R.
Kalra
,
G.
Klimeck
,
L. C. L.
Hollenberg
,
J. J.
Pla
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nano Lett.
13
,
1903
(
2013
).
12.
L.
Dreher
,
F.
Hoehne
,
M.
Stutzmann
, and
M. S.
Brandt
,
Phys. Rev. Lett.
108
(
2
),
027602
(
2012
).
13.
F. R.
Bradbury
,
A. M.
Tyryshkin
,
G.
Sabouret
,
J.
Bokor
,
T.
Schenkel
, and
S. A.
Lyon
,
Phys. Rev. Lett.
97
(
17
),
176404
(
2006
).
14.
J. F.
Ziegler
,
M. D.
Ziegler
, and
J. P.
Biersack
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
268
(
11–12
),
1818
(
2010
).
15.
J. D.
Plummer
,
M.
Deal
, and
P. D.
Griffin
,
Silicon VLSI Technology: Fundamentals, Practice, and Modeling
(
Prentice-Hall
,
New Jersey, USA
,
2000
).
16.
R.
Rahman
,
C. J.
Wellard
,
F. R.
Bradbury
,
M.
Prada
,
J. H.
Cole
,
G.
Klimeck
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. Lett.
99
(
3
),
036403
(
2007
).
17.
R.
Rahman
,
S. H.
Park
,
T. B.
Boykin
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. B
80
(
15
),
155301
(
2009
).
18.
R.
de Sousa
,
J. D.
Delgado
, and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. A
70
(
5
),
052304
(
2004
).
19.
M. J.
Calderon
,
B.
Koiller
, and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
75
(
12
),
125311
(
2007
).
20.
S.
Zurauskas
and
A.
Dargys
,
Phys. Status Solidi B
121
,
385
(
1984
).
21.
L.
Dreher
,
T. A.
Hilker
,
A.
Brandlmaier
,
S. T. B.
Goennenwein
,
H.
Huebl
,
M.
Stutzmann
, and
M. S.
Brandt
,
Phys. Rev. Lett.
106
(
3
),
037601
(
2011
).
You do not currently have access to this content.