盡管半導(dǎo)體技術(shù)的主要焦點(diǎn)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(yīng)用是有意義的，例如：

隨機(jī)數(shù)生成：電子噪聲，尤其是熱噪聲，本質(zhì)上是不可預(yù)測的?？梢岳眠@種隨機(jī)性來生成隨機(jī)數(shù)，這對(duì)于包括密碼學(xué)、安全通信和模擬在內(nèi)的各種應(yīng)用至關(guān)重要。

抖動(dòng)：這是一種用于增強(qiáng)數(shù)字系統(tǒng)分辨率的技術(shù)。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(jī)共振：當(dāng)向系統(tǒng)添加噪聲改善弱信號(hào)的檢測時(shí)，就會(huì)發(fā)生隨機(jī)共振現(xiàn)象。應(yīng)用領(lǐng)域包括信號(hào)處理和通信系統(tǒng)。

缺陷表征：在半導(dǎo)體材料中，噪聲可能是由雜質(zhì)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(duì)設(shè)備性能的影響。

隨機(jī)電報(bào)噪聲 (RTN) 是半導(dǎo)體器件（尤其是MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和其他納米級(jí)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(diǎn)是離散電流水平之間的隨機(jī)和突然切換，如圖 1 所示。它是由半導(dǎo)體材料內(nèi)或在半導(dǎo)體-電介質(zhì)界面。這種捕獲和釋放的過程會(huì)導(dǎo)致晶體管電流隨著時(shí)間的推移而波動(dòng)。

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(duì)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性產(chǎn)生重大影響，特別是當(dāng)晶體管尺寸縮小且器件尺寸接近納米級(jí)時(shí)。閾值電壓、亞閾值斜率和放電電流等器件特性的變化會(huì)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(píng)估提供有價(jià)值的見解。在這里，RTN可以作為半導(dǎo)體器件長期可靠性的指標(biāo)。它可用于評(píng)估設(shè)備隨時(shí)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(yù)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(dǎo)體中的潛在應(yīng)用。由 LEE Young Hee 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體中產(chǎn)生磁波動(dòng)及其產(chǎn)生的巨大 RTN 信號(hào)。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(jié)構(gòu)排列組成的化合物。它屬于一類被稱為過渡金屬二硫?qū)倩铮═MD）的材料，近年來由于其獨(dú)特的電子、光學(xué)和機(jī)械性能而受到廣泛關(guān)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(nèi)具有強(qiáng)共價(jià)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(dǎo)體行為：二硒化鎢是一種半導(dǎo)體，這意味著在一定條件下它可以導(dǎo)電。它適用于多種電子和光電應(yīng)用，因?yàn)樗碾娮犹匦钥梢酝ㄟ^施加電場來改變。

層狀結(jié)構(gòu)：與石墨烯類似，該材料由多層堆疊而成。每層僅由幾個(gè)原子組成，這有助于其獨(dú)特的性能和潛在的應(yīng)用。

電氣和光學(xué)特性：由于其導(dǎo)電性和光學(xué)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(shè)備。

隨機(jī)電報(bào)噪聲常由半導(dǎo)體中的二態(tài)缺陷引起。與三維 (3D) 對(duì)應(yīng)物相比，二維 (2D) 范德華 (vdW) 層狀磁性材料預(yù)計(jì)會(huì)因長程庫侖相互作用而表現(xiàn)出巨大的波動(dòng)。更重要的是，這些波動(dòng)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(jié)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(dòng)和RTN信號(hào)。

在橫向器件中，高接觸電阻通常會(huì)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(jié)器件。即使釩摻雜濃度為 0.2%，這種垂直磁隧道結(jié)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(hào)。

研究人員在利用這些設(shè)備進(jìn)行電阻測量研究時(shí)，檢測到 RTN 在明確定義的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間的振幅高達(dá) 80%。由于磁域之間的層內(nèi)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(jié)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(dǎo)體中的應(yīng)用鋪平了道路，并為自旋電子學(xué)中的磁開關(guān)提供了可能性。

圖 2 顯示了 RTN 信號(hào)的時(shí)間演化以及負(fù) (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(duì)應(yīng)于層(a)之間的反平行自旋狀態(tài)，而低電阻狀態(tài)對(duì)應(yīng)于層(b)之間的平行自旋狀態(tài)。

圖 2：RTN 信號(hào)隨時(shí)間的演變以及相關(guān)的 1/f2 RTN 直方圖（1）