The detection of donor electrons is important for Si-based spintronics and quantum computers, as well as complementary metal–oxide–semiconductor (MOS) circuits. One of the detection schemes is based on the spin-dependent recombination, for which photoexcitation has, so far, been used to generate electrons and holes. In this study, we rather induce the recombination electrically by a gate pulse in Si MOS transistors. Under the spin resonance conditions, we detect signals from arsenic (As) donors, located in the channel edge regions close to the As-implanted source/drain. The analysis suggests that the detection is owing to the spin pairs formed by an As donor electron spin and an electron spin of a defect center at the MOS SiO2/Si interface and to their spin-dependent process during the recombination.

1.
B. I.
Shklovskii
and
A. L.
Efros
,
Electronic Properties of Doped Semiconductors
(
Springer-Verlag
,
Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo
,
1984
).
2.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
, 3rd ed. (
Wiley
,
Hoboken, NJ
,
2006
).
3.
B. E.
Kane
,
Nature
393
,
133
137
(
1998
).
4.
I.
Zutic
,
J.
Fabian
, and
S. D.
Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
410
(
2004
).
5.
F. A.
Zwanenburg
,
A. S.
Dzurak
,
A.
Morello
,
M. Y.
Simmons
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
961
(
2013
).
6.
A. R.
Stegner
,
C.
Boehme
,
H.
Huebl
,
M.
Stutzmann
,
K.
Lips
, and
M. S.
Brandt
,
Nat. Phys.
2
,
835
(
2006
).
7.
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
691
(
2010
).
8.
S. Y.
Paik
,
S. Y.
Lee
,
W. J.
Baker
,
D. R.
McCamey
, and
C.
Boehme
,
Phys. Rev. B
81
,
075214
(
2010
).
9.
C. C.
Lo
,
V.
Lang
,
R. E.
George
,
J. J. L.
Morton
,
A. M.
Tyryshkin
,
S. A.
Lyon
,
J.
Bokor
, and
T.
Schenkel
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
207601
(
2011
).
10.
D. P.
Franke
,
F. M.
Hrubesch
,
M.
Künzl
,
H.-W.
Becker
,
K. M.
Itoh
,
M.
Stutzmann
,
F.
Hoehne
,
L.
Dreher
, and
M. S.
Brandt
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
057601
(
2015
).
11.
D. J.
Lepine
,
Phys. Rev. B
6
,
436
(
1972
).
12.
D.
Kaplan
,
I.
Solomon
, and
N. F.
Mott
,
J. Phys. Lett.
39
,
51
(
1978
).
13.
C.
Boehme
and
K.
Lips
,
Phys. Rev. B
68
,
245105
(
2003
).
14.
D. R.
McCamey
,
G. W.
Morley
,
H. A.
Seipel
,
L. C.
Brunel
,
J.
van Tol
, and
C.
Boehme
,
Phys. Rev. B
78
,
045303
(
2008
).
15.
H.
Morishita
,
L. S.
Vlasenko
,
H.
Tanaka
,
K.
Semba
,
K.
Sawano
,
Y.
Shiraki
,
M.
Eto
, and
K. M.
Itoh
,
Phys. Rev. B
80
,
205206
(
2009
).
16.
F.
Hoehne
,
H.
Huebl
,
B.
Galler
,
M.
Stutzmann
, and
M. S.
Brandt
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
046402
(
2010
).
17.
L.
Zhu
,
K. J.
van Schooten
,
M. L.
Guy
, and
C.
Ramanathan
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
064028
(
2017
).
18.
G.
Groeseneken
,
H. E.
Maes
,
N.
Beltran
, and
R. F.
DeKeersmaecker
,
IEEE Trans. Electron Devices
31
,
42
(
1984
).
19.
P.
Heremans
,
J.
Witters
,
G.
Groeseneken
, and
H. E.
Maes
,
IEEE Trans. Electron Devices
36
,
1318
1335
(
1989
).
20.
M.
Hori
,
T.
Watanabe
,
T.
Tsuchiya
, and
Y.
Ono
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
261602
(
2014
).
21.
M.
Hori
,
T.
Watanabe
,
T.
Tsuchiya
, and
Y.
Ono
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
041603
(
2015
).
22.
J. H.
Stathis
and
H.
Nishikawa
, in
IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference (SISC), San Diego, CA
(
IEEE
,
1998
), pp.
3
5
.
23.
B. C.
Bittel
,
P. M.
Lenahan
,
J. T.
Ryan
,
J.
Fronheiser
, and
A.
Lelis
,
J. Appl. Phys. Lett.
99
,
083504
(
2011
).
24.
M.
Hori
,
T.
Tsuchiya
, and
Y.
Ono
,
Appl. Phys. Express
10
,
015701
(
2017
).
25.
M.
Hori
and
Y.
Ono
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
064064
(
2019
).
26.
D. J.
DiMaria
and
E.
Cartier
,
J. Appl. Phys.
78
,
3883
(
1995
).
27.
M.
Hori
,
M.
Uematsu
,
A.
Fujiwara
, and
Y.
Ono
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
142105
(
2015
).
28.
R. C.
Fletcher
,
W. A.
Yager
,
G. L.
Pearson
, and
F. R.
Merritt
,
Phys. Rev.
95
,
844
845
(
1954
).
30.
C. F.
Young
,
E. H.
Poindexter
,
G. J.
Gerardi
,
W. L.
Warren
, and
D. J.
Keeble
,
Phys. Rev. B
55
,
16245
(
1997
).
31.
E. H.
Poindexter
,
P. J.
Caplan
,
B. E.
Deal
, and
R. R.
Razouk
,
J. Appl. Phys.
52
,
879
(
1981
).
32.
P. M.
Lenahan
and
J. F.
Conley
, Jr.
,
J. Vac. Sci. Technol. B
16
,
2134
(
1998
).
33.
M.
Jivanescu
,
A.
Stesmans
, and
V. V.
Afanas'ev
,
Phys. Rev. B
83
,
094118
(
2011
).
34.
S.
Shankar
,
A. M.
Tyryshkin
,
S.
Avasthi
, and
S. A.
Lyon
,
Physica E
40
,
1659
(
2008
).
35.
T.
Ando
,
A. B.
Fowler
, and
F.
Stern
,
Rev. Mod. Phys.
54
,
437
(
1982
).
36.
S.
Paik
,
S. Y.
Lee
,
D. R.
McCamey
, and
C.
Boehme
,
Phys. Rev. B
84
,
235305
(
2011
).
37.
K.
Morigaki
and
S.
Maekawa
,
J. Phys. Soc. Jpn.
32
,
462
471
(
1972
).
38.
D.
New
and
T. G.
Castner
,
Phys. Rev. B
29
,
2077
2087
(
1984
).
39.
H.
Sellier
,
G. P.
Lansbergen
,
J.
Caro
,
S.
Rogge
,
N.
Collaert
,
I.
Ferain
,
M.
Jurczak
, and
S.
Biesemans
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
206805
(
2006
).
40.
M.
Pierre
,
R.
Wacquez
,
X.
Jehl
,
M.
Sanquer
,
M.
Vinet
, and
O.
Cueto
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
133
137
(
2010
).
41.
P. M.
Lenahan
and
P. V.
Dressendorfer
,
J. Appl. Phys.
55
,
3495
3499
(
1984
).
42.
P.
Balk
,
The Si-SiO2 System
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
1988
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.