2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of single dopant circuit by deterministic doping and application to stochastic processing
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18H03766
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
品田 賢宏 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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
大矢 剛嗣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30432066)
清水 康雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, NIMS特別研究員 (40581963)
井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718)
河野 行雄 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90334250)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 決定論的ドーピング法 / 量子物性制御 / 量子物性制御デバイス / 確率的情報処理回路・システム / 量子計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、決定論的ドーピング法の多元化、新たな量子物性の発現と制御、それらが動作を支配するデバイス・回路の創製、確率的情報処理・量子計測の展開を目指している。本年度は、以下の項目に取り組んだ。
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：決定論的ドーピング法を用いて、(1)SOI-MOSFETのチャネル領域にGeイオン注入を行い、GeVn（ゲルマニウム－原子空孔）欠陥の1次元配列を形成した。第一原理計算によって、GeVnの不純物準位を介した低温での量子的電子輸送特性を解明した。(2)SiナノピラーにEr:O共注入を行い、ErO複合欠陥を形成した。Erを注入したナノスケールpnダイオードの電流-電圧特性とエレクトロルミネッセンス特性との関係を明らかにした。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御：ドーパントへのテラヘルツ集光効率向上のための更なる光電界集中構造の検討 を、シミュレーションと実験の両面から行った。誘電率を適切に設定することで、光電界サイズの局限化に成功した。また、テラヘルツ波検出に対するドーパント分布の効果について考察を行い、ドーパント同士の距離を制御することで、 検出帯域をチューニングできる可能性を示した。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：単一ドーパント情報処理デバイス用単一ドーパント情報処理デバイス向けシミュレータの作成を進めた。単一ドーパントデバイスに発現する現象・動作を表現できるシミュレータの開発を進めると同時に、同デバイスに実装する具体的な自然・生物的情報処理回路の設計、及び試作中のシミュレータにてその動作確認を進め、それらの有用性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：上記の通り、(1)SOI-MOSFETのチャネル領域へのGeイオン注入によるGeVn（ゲルマニウム－原子空孔）欠陥の1次元配列形成に関しては順調に進展している。(2)SiナノピラーへのEr:O共注入によるErO複合欠陥形成と近赤外発光については、発光強度を増強させるためにナノ加工（例えば共鳴する寸法をもつSOI基板上のナノピラー構造形成）を施すと、Erからのものではない背景光が重畳することが問題となっていた。コロナによる入構禁止期間の影響もあり、この原因を実験的に突き止めるのに時間を要したが、上記のように、ドライエッチングが原因であることまで突き止められた。一方、ドライエッチングにより、どのような背景光源が導入されてしまっているかについては調査を進めている。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御：センシングの領域がテラヘルツ波の波長よりもはるかに小さいため、光電界集中構造の最適化は重要な課題である。今年度見出した構造はこの課題解決に資するため、大きな知見となる。また、ドーパント分布がテラヘルツ検出の性能に関わ ることは制御性の点で重要な情報である。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：単一ドーパントデバイスをテンプレートとするリザーバコンピューティング系情報処理システム（ニューラルネットワーク系）や雑音利用系システムの構築と、その挙動を確認するシミュレータの構築が順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：(1)SOI-MOSFETのチャネル領域へのGeイオン注入によるGeVn（ゲルマニウム－原子空孔）欠陥の1次元配列形成については、代表者（品田）と分担者（河野・谷井）との間での共同研究（GeVn欠陥配列からのテラヘルツ発光計測）に発展させる。(2)SiナノピラーへのEr:O共注入によるErO複合欠陥形成と近赤外発光については、ウェットエッチングでナノピラー構造を作製することで、Er由来の発光に重畳する1.5um帯の背景光を除去できるかを実験的に調査すると同時に、ドライエッチングにより、どのような背景光源が導入されるかについては突き止める。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御：昨年度までに得られた知見を元に、ドーパント量子デバイスのテラヘルツ応答の 観測を行い検出性能を評価する。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：引き続き、世界初となる単一ドーパント情報処理システム用の回路シミュレータの完成を目指す。また、単一ドーパントデバイス用自然・生物的情報処理システムの構築も併せて遂行する。
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