2014 Fiscal Year Research-status Report
シリコンMOS素子におけるゲート絶縁膜中の不純物スピンを利用したメモリ素子
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26630167
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
大野 圭司 独立行政法人理化学研究所, 石橋極微デバイス工学研究室, 専任研究員 (00302802)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 半導体 / スピン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究計画に対し2点の変更を行った。1点目として、局在準位への電気的アクセス手法として研究計画で上げたゲートリーク電流測定に変わり、チャネル長（ゲート幅）が十分短いMOSトランジスタ のsubthreshold領域において観測されるソース・ドレイン間の量子ドット的伝導を用いた。研究計画で提案したゲートリーク電流に比べ、この手法は量子ドット電気伝道との類似性がより高く、量子ドット物理をより直接的に応用することが可能になった。
また2点目として、研究計画で述べた電極→ドナー準位→アクセプター準位→電極のトンネル電流パスを形成する局在準位として、当初計画では1）ダングリングボンド欠陥と2）絶縁膜中へのドーピングによるアクセプター的局在準位の組み合わせを想定していたが、2）に変わり、3）SiO2/ゲート金属界面近傍に存在するポテンシャル揺らぎによる局在準位との組み合わせを用いた。これら2点の変更により単一ダングリングボンド欠陥の電子スピン共鳴を電気的に検出することに成功した。一方でポテンシャル揺らぎによる局在準位はその閉じ込めエネルギーが小さいため、実験は1ケルビン程度の低温に限られ、研究目的であげたより高温での素子動作は未達成である。また研究計画であげた核スピンの電気的制御も未達成である。
また研究に用いる試料として、研究計画時には1)理研ナノサイエンス棟クリーンルームで作製するMOSダイオード、および2）半導体企業の基礎研究所から供与されるMOSトランジスタ、の両者を想定していたが、その後共同研究先の東芝研究開発センターより高品質な微細MOSトランジスタの供与を受けたため、後者に注力して研究を行った。
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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
上述のように低温ではあるもののMOSFET構造において単一ダングリングボンド欠陥準位の電気検出磁気共鳴に成功している。研究計画で強調したとおり、従来のドナー的準位のみを含むSiO2膜の電気検出磁気共鳴実験ではその信号強度がリーク電流との比率でわずか10-6程度であるのに対し、本計画で提案した電極→ドナー準位→アクセプター準位→電極のトンネル電流が支配的な場合、その比率は1-10と桁違いに大きなものになりうる。実際に観測された単一ダングリングボンド欠陥準位の電気検出磁気共鳴の磁気共鳴信号/背景リーク電流比率は1程度に達し、研究計画にて紹介した量子ドット素子に匹敵する巨大な磁気共鳴信号をMOS構造においても観測できたことになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の変更した研究計画のもと、より高温での電子スピン制御を行う。高温動作のためには上述のポテンシャル揺らぎによる局在準位では不十分でありアクセプター的局在準位の導入が必須となる。またダングリングボンド欠陥周辺の核スピンの電気検出・制御を行う。上記観測された単一ダングリングボンド欠陥準位の電気検出磁気共鳴ではその共鳴幅は0.5mT程度であった。この線幅は、もし欠陥が核スピンを有する29Siからなる場合にはその電気検出磁気共鳴における超微細構造分裂を検出するのに十分な狭さであり、この超微細構造分裂構造を通して核スピンの検出・制御が可能となる。
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| Causes of Carryover |
所属機関のヘリウム液化設備の故障により液体ヘリウムを用いた実験を約2ヶ月間停止した。このため液体ヘリウム代の支出が不要となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
すでに液化設備は復旧しており、昨年度一時的に停止した実験を再開している。今年度請求額をあわせてヘリウム代として支出し、実験の装置稼動時間を増やす。
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