Control of quantum material properties by deterministic doping method

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289109
• Research Institution: Tohoku University
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708) ; 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 決定論的ドーピング / ドーパント規則配列 / シリコン量子物性 / ダイヤモンド量子物性 / 3次元アトムプローブ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、10nm以下の領域へのドーピングを実現し、次世代デバイスに適応可能な決定論的ドーピング法の確立を第1の目的とし、単一ドーパントデバイスの量子物性制御を第2の目的としている。単一ドーパントの3次元規則配列が最終目標である。H28年度は、以下の研究項目に取り組んだ。
研究項目１「10nm以下の領域への単一ドーパントドーピングプロセスモジュールの開発」：Si中に局所的に注入されたイオンの分布についてアトムプローブで実験的に評価をした。アトムプローブでの3次元再構成を丁寧に行い、信頼あるイオンの分布を得た。その分布の深さ方向および面内方向の広がりについて、シュミレーション結果との比較を行い、ほぼコンシステントであり、イオン注入の空間精度の確認をし、決定論的ドーピング法の信頼性を高めた。
研究項目２「単一ドーパントシリコンデバイス量子輸送」：単一ドーパントが作る量子準位に基づくSi中の量子的電子輸送特性解析のため、チャネル中にErイオンとOイオンを同時に注入し、光励起電流特性を計測した。Er 準位を介して光が吸収され、光励起電流としてチャネルを流れたことを初めて確認した。
研究項目３「単一ドーパントシリコン－空孔ダイヤモンド量子発光」：電子線リソグラフィを用いて、ダイヤモンド上のレジストマスクに直径 約10 nm の ナノホール配列を形成し、マスクを介して低エネルギー窒素イオン注入を行い、水素原子核スピン検出が可能か検証した。共焦点レーザー走 査型蛍光顕微鏡(CFM)を用いて、NV－センターの特性を評価したところ、水素の核スピンに由来するピークの観測に成功した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/Politecnico di Milano(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/Politecnico di Milano
• [Int'l Joint Research] University Ulm(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University Ulm
• [Presentation] シリコン中に形成されたエルビウム不均一分布の３次元アトムプローブ評価 (2017)
  • Author(s): 清水 康雄、Y. Tu、 アブデルガファ 愛満、 矢野 真麻、 鈴木 雄大、 谷井 孝至、 品田 高宏 、 Prati Enrico、 井上 耕治、 永井 康介
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Er:O共注入Si MOSFETのフォトルミネッセンスおよび光励起電流計測 (2017)
  • Author(s): アブデルガファターレック 愛満、 矢野 真麻、千葉 悠貴、 Prati Enrico、 Celebrano Michele、 Ghirardini Lavinia、 Finazzi Marco、 Ferrari Giorgio、 品田 高宏、 谷井 孝至
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 浅い単一NVセンターの規則的配列を用いた表面の水素核スピンの検出 (2017)
  • Author(s): 福田 諒介 、 東又 格 、 岡田 拓真 、 加賀美 理沙、 寺地 徳之 、小野田 忍 、 春山 盛善 、 山田 圭介 、 稲葉 優文 、 山野 颯 、Priyadharshini Balasubramanian、 Felix Stuerner、 Simon Schmitt 、Liam McGuinness、 Fedor Jelezko、 大島 武、 品田 高宏、 川原田 洋、 加田 渉 、 花泉 修 、 磯谷 順一、 谷井 孝至
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] イオン注入による原子空孔の形成とNVセンターへの変換効率 (2017)
  • Author(s): 小野田 忍 、 立見 和雅、 春山 盛善、 寺地 徳之、 磯谷 順一、山田 圭介、 谷井 孝至、 川原田 洋、 品田 高宏 、 加田 渉、 花泉 修、 大島 武
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] ITRSエマージングデバイス（ERD)レビュー～IRDSへ繋ぐ～ (2017)
  • Author(s): 品田 高宏
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
  • Invited
• [Presentation] Direct Observation of Single Ion Implanted Dopants Distribution in Silicon by Atom Probe Tomography (2016)
  • Author(s): Y. Tu, B. Han, Y. Shimizu, K. Inoue, M. Yano, Y. China, T. Tanii, T. Shinada, Y. Nagai
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, Massachusetts, USA
  • Year and Date: 2016-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子センシングのための浅い単一NVセンターの規則配列形成: イマージョンオイル中の水素核スピン計測 (2016)
  • Author(s): 東又格、岡田拓真、加賀美理沙、寺地徳之、小野田忍、春山盛善、 山田圭介、稲葉優文、山野颯、Priyadharshini Balasubramanian、Felix Stuener、 Simon Schmitt、Liam P. McGuinness、Fedor Jelezko、大島武、品田高宏、川原田洋、加田渉、花泉修、磯谷順一、谷井孝至
  • Organizer: 第30回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場リサーチキャンパス コンベンションホール
  • Year and Date: 2016-10-14
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いた低エネルギーイオン注入による量子センシングのためのNVセンター配列の作製 (2016)
  • Author(s): 東又 格、岡田 拓真、加賀美 理沙、寺地 徳之、小野田 忍、春山 盛善、山田 圭介、稲葉 優文、山野 颯、Priyadharshini Balasubramanian、Liam P McGuinness、Boris Naydenov、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンター配列の作製Ⅱ (2016)
  • Author(s): 岡田 拓真、東又 格、加賀美 理沙、寺地 徳之、小野田 忍、山田 圭介、春山 盛善、稲葉 優文、山野 颯、Priyadharshini Balasubramanian、Boris Naydenov、Liam McGuinness、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] イオン注入を用いたSiVセンターの作製と生成収率のエネルギー依存性評価 (2016)
  • Author(s): 加賀美 理沙、東又 格、岡田 拓真、寺地 徳之、小野田 忍、春山 盛善、大島 武、品田 高宏、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟、朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Deterministic doping to silicon and diamond materials for quantum processing (2016)
  • Author(s): T, Shinada, E. Prati, T. Tanii, T. Teraji, S. Onoda, F. Jelezko, J. Isoya
  • Organizer: 2016 IEEE 16th International Conference on Nanotechnology （IEEE NANO 2016）
  • Place of Presentation: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of nitrogen-vacancy centers by implantation through nano-holes in resist mask (2016)
  • Author(s): I. Higashimata, G. Koike, T. Teraji, S. Onoda, M. Inaba, P. Balasubramanian, L. P. McGuinness, B. Naydenov, F. Jelezko, T. Ohshima, T. Shinada, H. Kawarada, J. Isoya, T. Tanii
  • Organizer: The 66th Diamond Conference
  • Place of Presentation: Univ of Warwick, Covetry, UK
  • Year and Date: 2016-07-12
• [Presentation] Deterministic doping for quantum processing devices in silicon and diamond (2016)
  • Author(s): T, Shinada, E. Prati, T. Tanii, T. Teraji, S. Onoda, F. Jelezko, J. Isoya
  • Organizer: EMN Meeting on Quantum 2016
  • Place of Presentation: Holiday Inn Resort Phuket, Phuket, Thailand
  • Year and Date: 2016-04-08
  • Int'l Joint Research / Invited