Control of quantum material properties by deterministic doping method

• Project/Area Number: 25289109
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Partial Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tohoku University (2014-2016); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2013)
• Principal Investigator: Shinada Takahiro 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (30329099)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708) ; 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): TABE Michiharu 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80262799) ; ISOYA Junichi 筑波大大学, 名誉教授 (60011756)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2015: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2014: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2013: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 決定論的ドーピング / ドーパント規則配列 / シリコン量子物性 / ダイヤモンド量子物性 / 3次元アトムプローブ

Outline of Final Research Achievements

The first purpose of this study was to establish a deterministic doping method that realizes doping to regions of 10 nm or less and is applicable to next generation devices.The second purpose was to control physical properties of quantum devices including single dopant silicon devices and single silicon - vacancy diamond devices. Specifically, we have developed (1) a single dopant doping process module in the region of 10 nm or less. We succeeded in observation and control of (2) quantum transport in single dopant silicon devices and (3) luminescence from single dopant silicon - vacancy in diamonds. Establishment of the deterministic doping method contributing to the future extension of CMOS technology and realization of its quantum physical property control are major achievements.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/Politecnico di Milano(イタリア)
• [Int'l Joint Research] University Ulm(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] National Research Council (CNR)(イタリア)
• [Int'l Joint Research] University Ulm(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] East China Normal University(中国)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Band transport across a chain of dopant sites in silicon over micron distances and high temperatures (2016)
  • Author(s): Enrico Prati, Kuninori Kumagai, Masahiro Hori, Takahiro Shinada
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/srep19704
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fluorescence Polarization Switching from a Single Silicon Vacancy Colour Centre in Diamond (2015)
  • Author(s): Yan Liu, Gengxu Chen, Youying Rong, Liam Paul McGuinness, Fedor Jelezko, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Takahiro Shinada, E Wu, and Heping Zeng
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 122441-9
  • DOI: 10.1038/srep12244
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of the silicon vacancy color center for quantum key distribution (2015)
  • Author(s): Yan Liu, Petr Siyushev, Youying Rong, Botao Wu, Liam Paul McGuinness, Fedor Jelezko, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Takahiro Shinada, Heping Zeng, and E Wu
  • Journal Title: Opt. Exp. Volume: 23 Issue: 26 Pages: 32961-32967
  • DOI: 10.1364/oe.23.032961
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Array of bright silicon-vacancy centers in diamond fabricated by low-energy focused ion beam implantation (2014)
  • Author(s): Syuto Tamura, Godai Koike, Akira Komatsubara, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Liam P. McGuinness, Lachlan Rogers, Boris Naydenov, E. Wu, Liu Yan, Fedor Jelezko, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Takahiro Shinada, and Takashi Tanii
  • Journal Title: Appl. Phys. Express. Volume: 7 Issue: 11 Pages: 115201-115201
  • DOI: 10.7567/apex.7.115201
  • NAID: 210000137305
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Atomic scale devices: advancements and directions (2014)
  • Author(s): Enrico Prati, Takahiro Shinada
  • Journal Title: Technical Digest of 2014 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Volume: - Pages: 9-12
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シリコン中に形成されたエルビウム不均一分布の３次元アトムプローブ評価 (2017)
  • Author(s): 清水 康雄、Y. Tu、 アブデルガファ 愛満、 矢野 真麻、 鈴木 雄大、 谷井 孝至、 品田 高宏 、 Prati Enrico、 井上 耕治、 永井 康介
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Er:O共注入Si MOSFETのフォトルミネッセンスおよび光励起電流計測 (2017)
  • Author(s): アブデルガファターレック 愛満、 矢野 真麻、千葉 悠貴、 Prati Enrico、 Celebrano Michele、 Ghirardini Lavinia、 Finazzi Marco、 Ferrari Giorgio、 品田 高宏、 谷井 孝至
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 浅い単一NVセンターの規則的配列を用いた表面の水素核スピンの検出 (2017)
  • Author(s): 福田 諒介 、 東又 格 、 岡田 拓真 、 加賀美 理沙、 寺地 徳之 、小野田 忍 、 春山 盛善 、 山田 圭介 、 稲葉 優文 、 山野 颯 、Priyadharshini Balasubramanian、 Felix Stuerner、 Simon Schmitt 、Liam McGuinness、 Fedor Jelezko、 大島 武、 品田 高宏、 川原田 洋、 加田 渉 、 花泉 修 、 磯谷 順一、 谷井 孝至
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] イオン注入による原子空孔の形成とNVセンターへの変換効率 (2017)
  • Author(s): 小野田 忍 、 立見 和雅、 春山 盛善、 寺地 徳之、 磯谷 順一、山田 圭介、 谷井 孝至、 川原田 洋、 品田 高宏 、 加田 渉、 花泉 修、 大島 武
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] ITRSエマージングデバイス（ERD)レビュー～IRDSへ繋ぐ～ (2017)
  • Author(s): 品田 高宏
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
  • Invited
• [Presentation] Direct Observation of Single Ion Implanted Dopants Distribution in Silicon by Atom Probe Tomography (2016)
  • Author(s): Y. Tu, B. Han, Y. Shimizu, K. Inoue, M. Yano, Y. China, T. Tanii, T. Shinada, Y. Nagai
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, Massachusetts, USA
  • Year and Date: 2016-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子センシングのための浅い単一NVセンターの規則配列形成: イマージョンオイル中の水素核スピン計測 (2016)
  • Author(s): 東又格、岡田拓真、加賀美理沙、寺地徳之、小野田忍、春山盛善、 山田圭介、稲葉優文、山野颯、Priyadharshini Balasubramanian、Felix Stuener、 Simon Schmitt、Liam P. McGuinness、Fedor Jelezko、大島武、品田高宏、川原田洋、加田渉、花泉修、磯谷順一、谷井孝至
  • Organizer: 第30回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場リサーチキャンパス コンベンションホール
  • Year and Date: 2016-10-14
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いた低エネルギーイオン注入による量子センシングのためのNVセンター配列の作製 (2016)
  • Author(s): 東又 格、岡田 拓真、加賀美 理沙、寺地 徳之、小野田 忍、春山 盛善、山田 圭介、稲葉 優文、山野 颯、Priyadharshini Balasubramanian、Liam P McGuinness、Boris Naydenov、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンター配列の作製Ⅱ (2016)
  • Author(s): 岡田 拓真、東又 格、加賀美 理沙、寺地 徳之、小野田 忍、山田 圭介、春山 盛善、稲葉 優文、山野 颯、Priyadharshini Balasubramanian、Boris Naydenov、Liam McGuinness、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] イオン注入を用いたSiVセンターの作製と生成収率のエネルギー依存性評価 (2016)
  • Author(s): 加賀美 理沙、東又 格、岡田 拓真、寺地 徳之、小野田 忍、春山 盛善、大島 武、品田 高宏、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Deterministic doping to silicon and diamond materials for quantum processing (2016)
  • Author(s): T, Shinada, E. Prati, T. Tanii, T. Teraji, S. Onoda, F. Jelezko, J. Isoya
  • Organizer: 2016 IEEE 16th International Conference on Nanotechnology （IEEE NANO 2016）
  • Place of Presentation: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of nitrogen-vacancy centers by implantation through nano-holes in resist mask (2016)
  • Author(s): I. Higashimata, G. Koike, T. Teraji, S. Onoda, M. Inaba, P. Balasubramanian, L. P. McGuinness, B. Naydenov, F. Jelezko, T. Ohshima, T. Shinada, H. Kawarada, J. Isoya, T. Tanii
  • Organizer: The 66th Diamond Conference
  • Place of Presentation: Univ of Warwick, Covetry, UK
  • Year and Date: 2016-07-12
• [Presentation] Deterministic doping for quantum processing devices in silicon and diamond (2016)
  • Author(s): T, Shinada, E. Prati, T. Tanii, T. Teraji, S. Onoda, F. Jelezko, J. Isoya
  • Organizer: EMN Meeting on Quantum 2016
  • Place of Presentation: Holiday Inn Resort Phuket, Phuket, Thailand
  • Year and Date: 2016-04-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Distribution of Single-Ion Implanted Dopants in Silicon Investigated by Atom Probe Tomography (2016)
  • Author(s): Tu Yuan、Han Bin、Shimizu Yasuo、Inoue Koji、Yano Maasa、Chiba Yuki、Tanii Takashi、Shinada Takahiro、Nagai Yasuyoshi
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、東京
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンタ配列の作製 (2015)
  • Author(s): 小池 悟大，東又 格，寺地 徳之，小野田 忍，稲葉 優文，P. Balasubramanian, B. Naydenov, F. Jelezko，大島 武，品田 高宏，川原田 洋，磯谷 順一，谷井 孝至
  • Organizer: 第29回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学、東京
  • Year and Date: 2015-11-18
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンタ配列の作製 (2015)
  • Author(s): 東又 格、小池 悟大、寺地 徳之、小野田 忍、稲葉 優文、Priyadharshini Balasubramanian、Boris Naydenov、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] Geの1次元配列を有するMOSトランジスタの室温伝導特性 (2015)
  • Author(s): 千葉 悠貴、矢野 真麻、アブデルガファ 愛満、Enrico Prati、品田 高宏、谷井 孝至
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] ナノホールマスク注入ドーパントイオン分布の3次元アトムプローブ計測-シングルイオン注入法の照準位置精度の向上- (2015)
  • Author(s): 矢野 真麻、千葉 悠貴、清水 康雄、井上 耕治、永井 康介、谷井 孝至、品田 高宏
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] Atomic scale devices: advancements and directions (Plenary) (2014)
  • Author(s): Enrico Prati, Takahiro Shinada
  • Organizer: 2014 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Place of Presentation: Hilton San Francisco Union Square, San Francisco, USA
  • Year and Date: 2014-12-15
  • Invited
• [Presentation] Metrology of single atom control for quantum processing in silicon and diamond (Invited) (2014)
  • Author(s): Takahiro Shinada, Prati Enrico, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Liam P. McGuinness, Lachlan Rogers, Boris Naydenov, Fedor Jelezko and Junichi Isoya
  • Organizer: 16th Takayanagi Keijiro Memorial Symposium
  • Place of Presentation: Research Institute of Electronics, Shizuoka Univ., Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2014-11-11
  • Invited
• [Presentation] ダイヤモンドへの低エネルギーSiイオン注入におけるSi-Vセンタ生成収率の評価 (2014)
  • Author(s): 田村崇人, 小池悟大, 谷井孝至, 寺地徳之, 小野田忍, 大島武, Fedor Jelezko, E Wu, 品田賢宏, 磯谷順一, Liam P, Mcguinness, Lachlan Rogers, Christoph Muller, Boris Naydenov, Liu Yan
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学 札幌キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-17
  • Invited
• [Presentation] Dopant Drive-in Path Analysis in Poly-silicon Filled in Trench type 3D-MOSFET using Atom Probe Tomography (2014)
  • Author(s): K. Inoue, H. Takamizawa, Y. Shimizu, B. Han, Y. Nagai, F. Yano, Y. Kunimune, M. Inoue and A. Nishida
  • Organizer: 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2014)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2014-09-10
  • Invited
• [Presentation] Opportunity of single atom control for quantum processing in silicon and diamond (Invited) (2014)
  • Author(s): Takahiro Shinada, Prati Enrico, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Liam P. McGuinness, Lachlan Rogers, Boris Naydenov, Fedor Jelezko and Junichi Isoya
  • Organizer: 2014 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • Place of Presentation: Hilton Hawaiian Village, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2014-06-18
  • Invited
• [Presentation] 1次元リン(P)ドーパント配列を有する長チャネルトランジスタの低温伝導特性評価
  • Author(s): 熊谷国憲、Prati, Enrico、堀 匡寛、福井結子、谷井孝至、品田 賢宏
  • Organizer: 2014年応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学（神奈川）
• [Presentation] 単一原子制御への挑戦 －ERM決定論的（Deterministic）ドーピングのご紹介－
  • Author(s): 品田 賢宏
  • Organizer: 2014 STRJワークショップ
  • Place of Presentation: コクヨホール（東京）
  • Invited
• [Presentation] Deterministic doping for silicon and diamond nanoelectronics
  • Author(s): 品田 賢宏、Prati, Enrico、磯谷順一
  • Organizer: 15th International Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors
  • Place of Presentation: hotel Europa City Vilnius (Lithuania)
  • Invited
• [Presentation] Fabrication of Silicon-Vacancy Center Array in Diamond by Low-Energy Ion Implantation
  • Author(s): 田村崇人、小松原彰、寺地徳之、小野田忍、McGuinness, Liam、Jelezko, Fedor、Rogers, Lachlan、Jahnke, Kay、大島 武、磯谷順一、品田 賢宏、谷井孝至
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: 立命館大学（京都）
• [Presentation] Deterministic doping method and the potential for diamond application
  • Author(s): 品田 賢宏、田村崇人、谷井孝至、小野田忍、大島 武、寺地徳之、McGuinness, Liam、Rogers, L.、Jahnke, K.、Jelezko, Fedor、磯谷順一
  • Organizer: Workshop on Strategic Japanese‐Croatian Cooperative Program
  • Place of Presentation: 東大寺文化センター（奈良）
  • Invited