Development of quantum sensing technique by using single photon sources embedded in 4H-SiC MOSFET

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J15088
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 阿部 裕太 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Keywords: 単一光子源 / カラーセンター / 量子センシング / MOS界面 / MOSFET / 点欠陥

Outline of Annual Research Achievements

炭化ケイ素（SiC）に発生する単一光子源（SPS）がもつ電子スピンの磁気共鳴を用いて、量子センシング技術の開発を目指して取り組まれた研究である。数種類あるSPSのうち量子センシングに応用するための有力候補のひとつ、MOS界面に発生する起源不明のSPSである「界面SPS」は起源が不明であるが故に応用へのポテンシャルは明らかになっていない。現時点では、特定の荷電状態でないと電子スピンをもたないのではといった仮説を立てたにすぎず、実証するためにMOSFETのゲート電圧印加による界面SPSの荷電状態の制御を試みた。しかしこの実験にも課題点が多く本年度は進展が得られなかった。
そこでSiCに発生するSPSのうち、起源が既知であり発生もある程度制御可能であるSi空孔に注目して改めて実験を行った。Si空孔は本来SiCバルクの点欠陥だが、イオン照射時の照射エネルギーの制御によって表面近傍に発生させることも可能である。MOSFETのMOS界面の深さちょうどにSi空孔が発生するような条件でイオン照射を行うことで、界面SPSと同じように、SPSがMOS界面に発生した状況を再現した。本来Si空孔の課題として、負の荷電状態でないと量子センシングに応用できないことが指摘されていたが、この手法でMOS界面に発生させたことによってゲート電圧による荷電状態の制御が可能になった。実際にMOSFETのゲート電圧に依存してESR（本研究ではEDMRと呼ばれる、電流検出型のESR法を用いた）信号の強度も変化しており、荷電状態の制御を実証したと言える。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で量子センシングに使うSPSとして最有力視していた界面SPSに関する実験が思うように進まなかったため、他の有力なSPSであるSi空孔に注力して実験を行う方針へと舵を切った。起源不明である界面SPSと違い、Si空孔はSiCに発生する最も典型的な点欠陥のひとつであり、その素性もよく知られている。そのためにMOS界面にSi空孔を発生させることさえできれば、界面SPSで課題であった荷電状態の制御が可能であるはずである。実際に電流検出型ESR(EDMR)測定では、ゲート電圧の変化でEDMR信号の変化を観測し、ゲート電圧による荷電状態の制御の実現を示唆した。

Strategy for Future Research Activity

界面SPSについては、フォトルミネッセンス（PL）の蛍光強度から観察しており、電圧制御との両立のために透明電極付きのMOSFETを試作して実験を行ってきた。この透明電極自身の発光により、界面SPSの観察を難しくしているのが第一の課題となっており、透明電極の改良を試みたい。現時点で検討しているのは、透明電極に使用しているITOの膜厚の最適化もしくはグラフェンを電極として採用できるか議論を重ねることを予定している。
Si空孔については荷電状態の変化をEDMRの信号強度変化として観測したが、さらなる議論のためにはEDMRの信号強度が不十分であるため、EDMR信号の増幅が期待できる低温環境下での測定を計画している。