Quantum state measurements of single photon sources in silicon carbide devices

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01056
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 大島 武 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 部長(定常) (50354949)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 波多野 睦子 東京工業大学, 工学院, 教授 (00417007) ; 藤ノ木 享英 (梅田享英) 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354) ; 土方 泰斗 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (70322021)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線

Outline of Annual Research Achievements

炭化ケイ素（SiC）中の単一光子源であるシリコン空孔（Vsi）や窒素-空孔中心（NcVsi）などに着目し研究を展開した。
SiCデバイス内部の温度や電流（磁場）計測といった量子センシング応用の研究では、引き続き粒子線描画（PBW）技術を活用しpinダイオード中にVsiを導入した。昨年度は面内に自在にVsiを形成する技術を開発したが、今年度は、3次元的に自在にVsiを形成する技術の開発、及び量子センシングの高感度化に向けてVsiの光検出磁気共鳴（ODMR）コントラストが高くなるPBW後の熱処理条件に関する検討を行った。Vsiの3次元形成では、粒子種類を従来の陽子に加え、ヘリウムを用いること、及び加速エネルギーを制御することで、深さ方向に対しても自在にVsiが形成できることを実証するとともに、どの深さに形成したVsiにおいてもODMR計測に成功した。これより、デバイスの深さ方向に対するセンシングへの道が拓けた。ODMRシグナルに関しては、550℃での熱処理によりコントラストが最大となることを見出した。
NcVsiは波長1300nm付近という近赤外領域発光を示すことから通信応用や生物内の量子センシング応用が期待されるが、その生成技術に関しては未だ確立していない。そこで、窒素（N）イオン照射後の熱処理などの生成条件に関する研究を進めた。その結果、1000℃での熱処理によりNcVsiからのフォトルミネッセンス（PL）強度が最大となり、NcVsi形成には1000℃での熱処理が有効であることが明らかとなった。更に、異なるN濃度を有するSiC基板に対して、陽子線照射及び1000℃熱処理を行い、NcVsiのPL強度との関係を調べたところ、N含有濃度の増加とともにPL強度も増加することを見出し、NcVsi濃度が基板のN含有濃度に比例して増加することが判明した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Melbourne/RMIT University(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: University of Melbourne/RMIT University
• [Int'l Joint Research] University of Wurzburg/University of Stuttgart(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Wurzburg/University of Stuttgart
• [Int'l Joint Research] Linkoping University(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Linkoping University
• [Int'l Joint Research] University of Chicago(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Chicago
• [Journal Article] Influence of Irradiation on Defect Spin Coherence in Silicon Carbide (2020)
  • Author(s): C. Kasper, D. Klenkert, Z. Shang, D. Simin, A. Gottscholl, A. Sperlich, H. Kraus, C. Schneider, S. Zhou, M. Trupke, W. Kada, T. Ohshima, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • Journal Title: Phys. Rev. Appl. Volume: 13 Pages: 044054-1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044054
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices (2019)
  • Author(s): C. P. Anderson, A. Bourassa, K. C. Miao, G. Wolfowicz, P. J. Mintun, A. L. Crook, H. Abe, J. U. Hassan, N. T. Son, T. Ohshima, D. D. Awschalom
  • Journal Title: Science Volume: 366 Pages: 1225-1230
  • DOI: 10.1126/science.aax9406
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coherent electrical readout of defect spins in silicon carbide by photo-ionization at ambient conditions (2019)
  • Author(s): M. Niethammer, M. Widmann, T. Rendler, N. Morioka, Y-C. Chen, R. Stohr, J. U. Hassan, S. Onoda, T. Ohshima, S-Y. Lee, A. Mukherjee, J. Isoya, N. T. Son, Jorg Wrachtrup
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 10 Pages: 5569-1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13545-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide (2019)
  • Author(s): K. C. Miao, A. Bourassa, C. P. Anderson, S. J. Whiteley, A. L. Crook, S. L. Bayliss, G. Wolfowicz, G. Thiering, P. Udvarhelyi, V. Ivady, H. Abe, T. Ohshima, A. Gali, D. D. Awschalom
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 5 Pages: eaay0527-1-7
  • DOI: 10.1126/sciadv.aay0527
• [Journal Article] Electrical Charge State Manipulation of Single Silicon Vacancies in a Silicon Carbide Quantum Optoelectronic Devic (2019)
  • Author(s): M. Widmann, M. Niethammer, D. Y. Fedyanin, I. A. Khramtsov, T. Rendler, I. D. Booker, J. U Hassan, N. Morioka, Y.-C. Chen, I. G. Ivanov, N. T. Son, T. Ohshima, M. Bockstedte, A. Gali, C. Bonato, S.-Y. Lee, J. Wrachtrup
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 19 Pages: 7173-7180
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02774
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of nitrogen-vacancy centers in 4H-SiC and their near infrared photoluminescence properties (2019)
  • Author(s): S.-i. Sato, T. Narahara, Y. Abe, Y. Hijikata, T. Umeda, T. Ohshima
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 126 Pages: 083105～083105
  • DOI: 10.1063/1.5099327
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Creation of Color Centers in SiC PN Diodes Using Proton Beam Writing (2019)
  • Author(s): Y. Chiba, Y. Yamazaki, T. Makino, S.-i. Sato, N. Yamada, T. Satoh, K. Kojima, S.-Y. Lee, Y. Hijikata, T. Ohshima
  • Journal Title: Mater. Sci. Forum Volume: 963 Pages: 709-713
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.963.709.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Energy levels and charge state control of the carbon antisite-vacancy defect in 4H-SiC (2019)
  • Author(s): N. T. Son, P. Stenberg, V. Jokubavicius, H. Abe, T. Ohshima, J. U. Hassan, I. G. Ivanov
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 114 Pages: 212105-1-5
  • DOI: 10.1063/1.5098070
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in silicon carbide (2019)
  • Author(s): Nagy Roland、Niethammer Matthias、Widmann Matthias、Chen Yu-Chen、Udvarhelyi P?ter、Bonato Cristian、Hassan Jawad Ul、Karhu Robin、Ivanov Ivan G.、Son Nguyen Tien、Maze Jeronimo R.、Ohshima Takeshi、Soykal ?ney O.、Gali ?d?m、Lee Sang-Yun、Kaiser Florian、Wrachtrup J?rg
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 1954-1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09873-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] SiC デバイス内に作製したシリコン空孔の光・電気同時励起時における光学特性 (2019)
  • Author(s): 山﨑 雄一, 千葉 陽史, 佐藤 真一郎, 牧野 高紘, 山田 尚人, 佐藤 隆博, 土方 泰斗, 児嶋 一聡, 土田 秀一, 星乃 紀博, 大島 武
  • Organizer: 応用物理学会 先進パワー半導体分科会 第6回講演会
• [Presentation] SiC結晶中シリコン空孔の光検出磁気共鳴信号にアニール温度が及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 千葉 陽史, 山﨑 雄一, 牧野 高紘, 佐藤 真一郎, 山田 尚人, 佐藤 隆博, 土方 泰斗, 大島 武
  • Organizer: 応用物理学会 先進パワー半導体分科会 第6回講演会
• [Presentation] 4H-SiC中の窒素・空孔複合欠陥の形成量と窒素不純物濃度の関係 (2019)
  • Author(s): 楢原 拓真，佐藤 真一郎，児島 一聡，山﨑 雄一, 土方 泰斗, 大島 武
  • Organizer: 応用物理学会 先進パワー半導体分科会 第6回講演会
• [Presentation] The effect of γ-ray irradiation on optical properties of single photon sources in 4H- SiC MOSFET (2019)
  • Author(s): Y. Abe, T. Umeda, M. Okamoto, S. Harada, Y. Yamazaki, T. Ohshima
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019 (ICSCRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancement of ODMR Contrasts of Silicon Vacancy in SiC by Thermal Treatment (2019)
  • Author(s): Y. Chiba, Y. Yamazaki, S.i. Sato, T. Makino, N. Yamada, T. Satoh, Y. Hijikata, T. Ohshima
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019 (ICSCRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Nitrogen Impurity Concentration on Nitrogen-Vacancy Center Formation in 4H-SiC (2019)
  • Author(s): T. Narahara, S.-i. Sato, K. Kojima, Y. Yamazaki, Y. Hijikata, T. Ohshima
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019 (ICSCRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Near Infrared Photoluminescence in High-Purity Semi-Insulating 4H-SiC Irradiated with Energetic Charged Particles (2019)
  • Author(s): S.-i. Sato, T. Narahara, S. Onoda, Y. Yamazaki, Y. Hijikata, B. C. Gibson, A. D. Greentree, T. Ohshima
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019 (ICSCRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optically detected magnetic resonance study of 3D arrayed silicon vacancies in SiC pn diodes (2019)
  • Author(s): Y. Yamazaki, Y. Chiba, S.-I. Sato, T. Makino, N. Yamada, T. Satoh, K. Kojima, Y. Hijikata, H. Tsuchida, N. Hoshino, T. Ohshima
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019 (ICSCRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiCデバイス内の3次元配列シリコン空孔を用いた光検出磁場共鳴測定 (2019)
  • Author(s): 山﨑 雄一, 千葉 陽史, 佐藤 真一郎, 牧野 高紘, 山田 尚人, 佐藤 隆博, 土方 泰斗, 児嶋 一聡, 土田 秀一, 星乃 紀博, 大島 武
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] SiC結晶中シリコン空孔のODMR信号に熱処理温度が及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 千葉 陽史, 山﨑 雄一, 牧野 高紘, 佐藤 真一郎, 山田 尚人, 佐藤 隆博, 土方 泰斗, 大島 武
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 4H-SiC中の窒素・空孔複合欠陥の形成における窒素不純物濃度の影響 (2019)
  • Author(s): 楢原 拓真, 佐藤 真一郎, 児島 一聡, 山﨑 雄一, 土方 泰斗, 大島 武
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Creation of nitrogen-vacancy centers in SiC by ion irradiation (2019)
  • Author(s): T. Ohshima, S.-i. Sato, T. Narahara, Y. Yamazaki, Y. Abe, T. Umeda, Y. Hijikata
  • Organizer: 30th International Conference on Defects in Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Position-Selective Silicon Vacancy Formation in Silicon Carbide Devices using Proton Beam Writing (2019)
  • Author(s): T. Ohshima, Y. Yamazaki, Y. Chiba, Y. Hijikata, K. Kojima, S.-Y. Lee, W. Kada
  • Organizer: Quantum 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Creation of silicon vacancy in silicon carbide using proton beam writing techniques for quantum sensing (2019)
  • Author(s): T. Ohshima
  • Organizer: Workshop on Ion beams for future technologies 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 量子科学技術研究開発機構 高崎量子応用研究所 プロジェクト「半導体照射効果研究」
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/semiconductor/