ワイドギャップ半導体MOS界面欠陥の正体の横断的解明

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00340
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 藤ノ木 享英 (梅田享英) 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 牧野 俊晴 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20360258) ; 原田 信介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20392649) ; 五十嵐 信行 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (40771100) ; 磯谷 順一 筑波大学, 数理物質系, 研究員 (60011756) ; 染谷 満 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60783644) ; 松下 雄一郎 東京工業大学, 物質・情報卓越教育院, 特任准教授 (90762336)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 電流検出型電子スピン共鳴 / スピン欠陥 / MOS界面 / 4H-SiC / MOSFET / ダイヤモンド / BVセンター

Outline of Annual Research Achievements

本研究の最大の武器は「電流検出型電子スピン共鳴（EDMR）分光」である。この分光実験は、外部磁場とマイクロ波で電子スピンを励起し、その励起を試料電流で検出する。2021年度は、この特徴を生かしたスピン検出実験を行った。
対象は、炭化ケイ素（4H-SiC）のMOS型電界効果トランジスタ（MOSFET）に埋め込んだ「シリコン空孔スピン（Tv2a型）」である。このスピンは4H-SiCで最も有望なスピン欠陥/量子ビットとして知られているが、EDMRによる検出例がない。EDMRは電流励起・電流検出のため、EDMRによってスピン欠陥/量子ビットの検出ができればMOSFET型・量子デバイスの集積小型化が見込めてインパクトがある。検出に使用したのは、産業技術総合研究所（研究分担者）で作り込まれたnチャネル窒化Si面4H-SiC MOSFET（ゲート長5um、幅200um）である。そのMOS界面直下にプロトン照射（エネルギー80kV、照射量1e13cm-2、量子科学技術研究開発機構QSTで実施）でシリコン空孔を埋め込んだ。この状態でチャネルに電流を流してEDMRを測ったところ、約1e5個のシリコン空孔スピン（Tv2a型）を検出することができた。検出感度は十分とは言えないが、Tv2a型スピンがEDMR検出できることを初めて実証した実験として評価された。
2021年度のEDMR実験はこの一例のみで、MOS界面欠陥のEDMR評価は行えなかった。EDMR分光装置の中核となる「マイクロ波ソース」が経年劣化のために使用不能となってしまったからである。メーカーのドイツ本社での修理もできなかった。EDMR実験再開のためにマイクロ波ソースの自作化が必要となり、最終的に日本メーカー（アンリツ）の20GHz信号発生器＋ベクトルネットワークアナライザで可能であることに目途をつけ、その手配を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

主力武器である電流検出型電子スピン共鳴（EDMR）分光装置の再構築が必要となったため、EDMR分光実験が一時停止することになった。再構築に必要なマイクロ波ソースの新規設計と機材購入を2021年度に行った。

Strategy for Future Research Activity

2021年度に手配が完了した機材（20GHz信号発生器、20GHzベクトルネットワークアナライザなど）を組み合わせてEDMR分光装置を再構築し、MOS界面欠陥のEDMR評価を再開する。また、第一原理計算によるMOS界面欠陥の探索も、これまでの計算情報を精査して絞り込みを行う。

Research Products

• [Journal Article] Electrical detection of TV2a-type silicon vacancy spin defect in 4H-SiC MOSFETs (2022)
  • Author(s): Y. Abe, A. Chaen, M. Sometani, S. Harada, Y. Yamazaki, T. Ohshima, T. Umeda
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Pages: 064001,1-6
  • DOI: 10.1063/5.0078189
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Negatively charged boron vacancy center in diamond (2022)
  • Author(s): T. Umeda, K. Watanabe, H. Hara, H. Sumiya, S. Onoda, A. Uedono, I. Chuprina, P. Siyushev, F. Jelezko, J. Wrachtrup, J. Isoya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 165201,1-13
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.165201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical detection of Tv2a-type VSi centres in SiC-MOSFET (2021)
  • Author(s): Y. Abe, A. Chaen, M. Sometani, S. Harada, Y. Yamazaki, T. Ohshima, T. Umeda
  • Organizer: European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM)
  • Int'l Joint Research