2022 Fiscal Year Research-status Report
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21K18731
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
板垣 奈穂 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (60579100)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 励起子 / ZnO / ZnMgO / スパッタリング / 量子構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，明るい励起子そのもののを長寿命化させる，というアイデアにより，従来の励起子において存在した寿命と制御性のトレードオフ問題を解決し，革新的量子デバイスを実現することを目的としている．昨年度は，長寿命な明るい励起子実現の鍵となる， サファイア基板上へのZnMgO/ZnO超高品質ヘテロ界面の形成を行うとともに，ZnMgOの室温での励起子発光を確認した．基板と膜との間の大きな格子不整合率（18%）がボトルネックとなったが、代表者が開発した逆Stranski-Krastanov (逆SK)法が単結晶膜の作製を可能にした．そこで本年度はまず，これら単結晶薄膜の励起子寿命ならびに励起子発光メカニズムを明らかにすることを目的とし、時間分解ルミネッセンス計測を行った．その結果、非輻射再結合寿命がpsecオーダーと短く、これがデバイス性能を支配する可能性が示唆された。非輻射再結合中心密度は10^18 /cm3と見積られたが，XRD測定結果からこれらは転位ではなく点欠陥に起因していることが分かった。そこで次に，上記逆SK法における結晶成長の前段階として，極性制御層としての極薄MgO膜を形成し，点欠陥の低密度化を試みた．結果，膜厚1-2 nmのMgO層の重畳は，ZnO膜およびZnMgO膜の表面平坦性および結晶品質の向上に極めて効果的であることが分かった．特に面外配向性は大きく向上し，本手法により作成したZnO膜の(0002) 面 X線ロッキングカーブ半値幅はサファイア基板直上に作製したZnO膜に比べて１桁低い，約0.03°の値を示した．これは，薄膜の極性を制御することで，成長表面におけるスパッタ粒子のマイグレーションが促進され, 欠陥発生が抑制されたためと考えられる. 今後は，上記手法をZnO/ZnMgO歪量子井戸に展開し，その効果を検証するとともに，量子ビットとしての機能発現を目指す．
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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
本課題は，代表者オリジナルのシーズ技術を背景に，「長寿命な明るい励起子」の実現ならびに量子ビットとしての応用可能性を示すことを目的としている．
これまでに，その実現の鍵となる単結晶ZnMgO膜の作製ならびに室温での高効率励起子生成に注力し，それに成功した．さらに上述したように，これら単結晶ZnMgO膜の品質は，薄膜形成前に極薄MgO層を導入することにより，更に向上可能であることも示された．一方で，時間分解フォトルミネッセンス測定から，上記薄膜の非輻射再結合寿命はpsecオーダーと短く、これが量子ビットとしての性能を律速する，という課題が示唆された。今後はまず、原料の高純度化を行うとともに、成膜温度や成膜後の降温レート・降温時の雰囲気等を制御することで、非平衡下で形成されやすいとされる点欠陥の発生の抑制に注力し、欠陥密度10^16/cm3以下のZnMgO膜を実現する．さらにこれら薄膜上にZnO量子井戸をシュードモルフィックに形成することで，本研究の目的である長寿命な明るい励起子を実現する．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず，ZnOならびにZnMgO膜中の非輻射再結合中心密度の抑制に注力する．具体的には，これらの原料となるスパッタリングターゲットの高純度化を行うとともに、成膜温度や成膜後の降温レート・降温時の雰囲気等を制御することで、非平衡下で形成されやすいとされる点欠陥の発生を抑制し、欠陥密度10^16/cm3以下のZnMgO膜を実現する．次に，ZnO/ZnMgOからなる量子井戸を形成する．この時，井戸層を障壁層に対してシュードモルフィックに成長させることで励起子長寿命化において圧倒的に有利な”歪”量子井戸を形成する．寿命の測定は，歪量子井戸に励起光を照射しストリークカメラにより発光寿命を観測することで行う．さらに上記で得た歪量子井戸に金属微細加工を行い量子ドットを作製，これにパルスレーザー光を照射して量子ビットの操作を行う．まず単一量子ドットに対して，電子と正孔の基底状態のエネルギーに対応したパルス光を照射し，照射光の強度変調を行った際の発光強度の振る舞いを調べる．ラビ振動 (基底状態の励起子が “ある” 状態と “ない” 状態の2準位間でのコヒーレントな振動)を確認し，1量子ビット回転ゲートの実現を目指す．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：今年度の研究の進捗により，量子井戸を構成する材料自体に想定より多くの非輻射再結合欠陥が含まれていることが分かり，当初予定していたデバイス形成・評価の前にこの課題を解決する必要が生じた．そのため，デバイス形成のために計上していた費用が一部未使用となった．また，「その他」に計上していた分析費用についても，研究協力者にその分析を依頼したことで０となった．予定していた学会参加も全てオンラインになったことで，未使用額が生じた．
次年度使用額の使用計画：非輻射再結合中心の生成を抑制するための高純度材料の購入費ならびに，デバイスの作製・動作実証のための各種材料・部品の購入費に充てる．加えて，成果発表のための国内外の学会参加費・旅費，デバイス評価のための分析依頼や分析のための旅費等に使用する予定である．
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[Presentation] サファイア基板上への Zn1-xMgxO 膜のスパッタエピタキシー：ZnON/MgO バッファー層の効果2022
Author(s)
湯上貴文, 矢高功太郎, 三石遼, 山下尚人, 山下大輔, 奥村賢直, 鎌滝晋礼, 木山治樹, 古閑一憲，白谷正治, 薮田久人, 板垣奈穂
Organizer
プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第26回 支部大会
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