量子スピン情報素子に向けた新構造シリコン量子ドットの開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26709023
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、シリコン量子ドット中の電子スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことである。将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指す。物理としては、シリコン量子ドット構造に特有のスピン緩和要因、バレーやスピンの関与する電子輸送特性を明らかにすることを目指している。技術としては、Si基板やSi/SiGeヘテロ基板を利用した独自の量子ドット構造を作製する。また、Si基板から作製したMOS型新構造量子ドットやSiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドット構造のそれぞれに適した電子スピンの操作技術や検出法を開発し、確立する。本年度は、電子輸送特性を測定することで、バレーの縮退の程度やバレーの関与する効果について調べることを目指した。さらに、緩和時間についても明らかにすることを目指し、技術の開発を行った。
新構造のMOS型素子として、極薄膜シリコン量子ドットを開発した。Silicon on insulator （SOI）基板に対して熱酸化とフォトリソグラフィ・ウェットエッチングプロセスを繰り返すことで6 nm程度の極薄膜のシリコン層を形成し、電子線露光とドライエッチングにより量子ドットを形成した構造である。本素子を低温で評価した結果、単一量子ドット中の単電子トンネル現象を示す規則的なクーロンダイヤモンドが明瞭に観測された。本素子をモデル化するために電子顕微鏡写真から形状を取り込み、３次元の詳細なデバイス構造のモデル化を行った。この結果、実験データをよく再現することに成功した。また、緩和時間測定のため、パルス電圧を印加できるように測定系を構築し、パウリスピンブロッケードにおけるT1緩和時間を測定した。0.5ms程度であることを示唆する初期的な実験データが得られた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度は、素子の試作と基礎特性の測定を行った結果、より閉じ込めの強い量子ドットを作製する必要があることが明らかになった。そこで、新構造素子として、極薄膜シリコン量子ドットを開発した。6 nm程度の極薄膜のシリコン層を形成し、電子線露光とドライエッチングにより量子ドットを形成した構造である。設計通りの動作を確認し、モデル化と数値計算による実験データの再現に成功した。計画以上の新たな技術が得られた。また、緩和時間測定のため、パルス電圧を印加できるように測定系を構築し、パウリスピンブロッケードにおけるT1緩和時間を測定することもできた。本研究は、シリコン量子ドット中の電子スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことを目的とし、将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指すものであり、計画以上の成果を得ながら、順調に進められている。

Strategy for Future Research Activity

これまでに作製・評価した素子に対してマイクロ波を印加し、電子スピン状態の回転操作すなわち電子スピン量子ビットの実現を行う。電子スピンが静磁場下において行うラーモア歳差運動の回転周期に同期した回転磁場を、静磁場と垂直方向に印加することで、共鳴をおこして電子スピンを回転させる。実質的な回転磁場を印加するために、微小磁石によって傾斜磁場を作ったうえでマイクロ波帯の交流電界を印加する。またスピン状態の高速読み出し系を構築して、この電子スピンの回転を時間分解パルス測定することで、スピン緩和時間の評価、緩和要因の解明を目指す。

Causes of Carryover

今年度作製した素子の基礎特性評価の結果、より閉じ込めの強い量子ドット構造を作製する必要があることが明らかとなった。次年度以降にも、改良した素子の作製、評価が必要となり、また測定系としても高周波測定系の改良が必要となり、次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

物品費として、改良した素子の作製に必要な半導体基板、微細加工用薬品類、蒸着源、改良した素子の測定に必要な寒剤、真空部品、測定部品、測定部品、測定器に使用し、旅費として、成果発表のための外国出張や国内出張に使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 日立ケンブリッジ研究所(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: 日立ケンブリッジ研究所
• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: デルフト工科大学
• [Journal Article] Ge/Si core/shell nanowires with controlled low temperature grown Si shell thickness (2015)
  • Author(s): T. Noguchi, K. Morita, M. Simanullang, Z. Xu, K. Usami, Y. Kawano, T. Kodera and S. Oda
  • Journal Title: Phys. Status Solidi A Volume: 212 Pages: 1578-1581
  • DOI: 10.1002/pssa.201532340
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quantum dots in single electron transistors with ultrathin silicon-on-insulator structures (2015)
  • Author(s): S. Ihara, A. Andreev, D. A. Williams, T. Kodera, and S. Oda
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett Volume: 107 Pages: 013102-1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4926335
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] スピン量子デバイスに向けた少数電子シリコン量子ドットの研究 (2016)
  • Author(s): 堀部浩介、小寺哲夫、小田俊理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-21
  • Invited
• [Presentation] 高濃度ドーピングしたシリコンを用いた単一量子ドットの正孔輸送特性 (2016)
  • Author(s): 山岡 裕、小田 俊理、小寺 哲夫
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] P型Si二重量子ドット内の少数正孔領域でのパウリスピンブロッケードの観測 (2016)
  • Author(s): 岩崎 一真、小寺 哲夫、小田 俊理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 極低温下連続マイクロ波照射下での単一量子ドットの電子輸送特性 (2016)
  • Author(s): 前川 未知瑠、テノリオペルル ハイメ、ヘルブスレブ エルンスト、山岡 裕、小寺 哲夫、小田 俊理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 極薄膜SOIを用いた量子ドットデバイスの作製と評価 (2016)
  • Author(s): 西野 孝夫、平岡 宗一郎、井原 敏、小寺 哲夫、小田 俊理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 多層Al ゲート構造を用いたSi-MOS 量子ドットデバイス作製プロセスの検討 (2016)
  • Author(s): 本田 拓夢、米田 淳、武田 健太、川那子 高暢、小寺 哲夫、樽茶 清悟、小田 俊理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Devices Architectures and Technology for Quantum Computing (2015)
  • Author(s): T. Kodera, K. Horibe, S. Oda
  • Organizer: 228th ECS Meeting
  • Place of Presentation: Phoenix, Arizona, USA
  • Year and Date: 2015-10-11 – 2015-10-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Si2重量子ドット中の電子スピンの高速独立操作 (2015)
  • Author(s): 武田健太, 神岡純, 小幡利顕, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu Delbecq, 天羽真一, 米田淳, Giles Alison, 野入亮人, 菅原烈, 小寺哲夫, 小田俊理, 樽茶清悟
  • Organizer: 2015年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学、吹田市
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 電極閉じ込め型シリコンMOS量子ドットの作製と評価 (2015)
  • Author(s): 米田淳, 本田拓夢, 武田健太, Marian Marx, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu Delbecq, 天羽真一, Giles Allison, 小寺哲夫, 小田俊理, 樽茶清悟
  • Organizer: 2015年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学、吹田市
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Si-MOS構造を有する多重量子ドットデバイスの特性評価 (2015)
  • Author(s): 本田拓夢、米田淳、武田健太、小寺哲夫、樽茶清悟、小田俊理
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] サイドゲートによるシリコン3重量子ドットの単電子移動制御 (2015)
  • Author(s): 平岡宗一郎、堀部浩介、小寺哲夫、小田俊理
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] シリコン２重量子ドットにおける正孔輸送特性 (2015)
  • Author(s): 岩崎一真、小寺哲夫、小田俊理
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] 高濃度ドーピングしたシリコンを用いた2重量子ドットの電子輸送特性 (2015)
  • Author(s): 山岡裕、小田俊理、小寺哲夫
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] スピン量子情報デバイスに向けたシリコン量子ドットの研究 (2015)
  • Author(s): 小寺哲夫
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
  • Invited
• [Presentation] Wireless manipulation of quantum states in silicon isolated double quantum dots (2015)
  • Author(s): T. Ferrus, T.-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, S. Oda, T. Kodera and D. Williams
  • Organizer: Silicon quantum information processing : scaling up
  • Place of Presentation: Cambridge, UK
  • Year and Date: 2015-09-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge Qubits in Doped Quantum Dots : Effects on Computation and Coherence (2015)
  • Author(s): T. Ferrus, T.-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, S. Oda, T. Kodera and D. Williams
  • Organizer: Ninth International Conference on Quantum, Nano/Bio, and Micro Technologies
  • Place of Presentation: Venice, Italy
  • Year and Date: 2015-08-23 – 2015-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A strongly driven single-spin qubit in a Si/SiGe double quantum dot with a micro-magnet (2015)
  • Author(s): K. Takeda, J. Kamioka, T. Obata, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, J. Yoneda, G. Allison, A. Noiri, R. Sugawara, T. Kodera, S. Oda, and S. Tarucha
  • Organizer: SpinTech VIII
  • Place of Presentation: Basel, Switzerland
  • Year and Date: 2015-08-10 – 2015-08-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fast addressable single-spin qubits in a Si/SiGe double quantum dot with a micro-magnet (2015)
  • Author(s): K. Takeda, J. Kamioka, T. Obata, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, J. Yoneda, G. Allison, A. Noiri, R. Sugawara, T. Kodera, S. Oda, and S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improved design and fabrication for Si/SiGe quantum dots with increased valley-splitting (2015)
  • Author(s): M. Marx, K. Takeda, J. Yoneda, G. Allison, T. Honda, M. Delbecq, T. Otsuka, T. Nakajima, S. Amaha, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and characterization of gate-defined small Si-MOS quantum dot device (2015)
  • Author(s): J. Yoneda, T. Honda, K. Takeda, M. Marx, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, and S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physically-defined quantum dots fabricated on silicon-on-insulator substrate (2015)
  • Author(s): T. Kodera, K. Horibe, K. Yamada, S. Ihara, T. Kambara, A. Andreev, D. A. Williams, Y. Arakawa, and S. Oda
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of physically-defined double quantum dots on highly-doped silicon substrate (2015)
  • Author(s): T.-Y. Yang, Y. Yamaoka, A. Andreev, T. Ferrus, D. A. Williams, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physically-defined silicon triple quantum dots in metal-oxide-semiconductor structures (2015)
  • Author(s): S. Hiraoka, K. Horibe, R. Mizokuchi, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • Place of Presentation: Takamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Few-Electron and Few-Hole Regimes in Silicon Double Quantum Dots (2015)
  • Author(s): K. Horibe, K. Yamada, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: 21th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2015-07-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integration of Quantum Dots on Ultrathin Silicon-on-Insulator Film (2015)
  • Author(s): S. Ihara, A. Andreev, D. A. Williams, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: 21th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2015-07-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wireless manipulation of quantum states in silicon isolated double quantum dots (2015)
  • Author(s): T. Ferrus, T.-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, S. Oda, T. Kodera and D. Williams
  • Organizer: 21th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2015-07-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport and thermoelectric properties in Ge/Si core/shell nanowires (2015)
  • Author(s): T. Noguchi, K. Morita, M. Simanullang, K. Usami, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: The 15th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physically-Defined Few-Electron Triple Quantum Dots in Metal-Oxide-Semiconductor Structures (2015)
  • Author(s): S. Hiraoka, K. Horibe, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: 21th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Ge/Si core/shell nanowire with controlled low temperature grown Si shell thickness (2015)
  • Author(s): T. Noguchi, M. Simanullang, Z. Xu, K. Usami, Y. Kawano, T. Kodera, S. Oda
  • Organizer: 20th Biennial European Conference on Chemical Vapor Deposition (EuroCVD20)
  • Place of Presentation: Sempach, Switzerland
  • Year and Date: 2015-07-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Charge sensing of p-channel double quantum dots fabricated on (110) silicon substrate (2015)
  • Author(s): K. Iwasaki, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: The 2015 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW2015)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-06-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of a highly controllable Si-MOS quantum dot device (2015)
  • Author(s): T. Honda, J. Yoneda, K, Takeda, T. Kodera, S. Tarucha, and S. Oda
  • Organizer: The 2015 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW2015)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and characterization of physically-defined double quantum dots without unintentional localized states on highly-doped silicon substrate (2015)
  • Author(s): Y. Yamaoka, T. Kodera, S. Oda
  • Organizer: The 2015 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW2015)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupled Si quantum dot devices (2015)
  • Author(s): T. Honda, K. Horibe, R. Mizokuchi, L. Yi, K. Iwasaki, S. Hiraoka, T. Kodera, S. Oda
  • Organizer: 11th International Nanotechnology Conference on Communication and Cooperation (INC11)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2015-05-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and Thermo-electric Properties of Ge/Si Core/Shell Nanowires (2015)
  • Author(s): T. Noguchi, K. Morita, M. Simanullang, Z. Xu, K. Usami, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: 11th International Nanotechnology Conference on Communication and Cooperation (INC11)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2015-05-11
  • Int'l Joint Research
• [Book] Nanoscale Silicon Devices (2015)
  • Author(s): T. Kodera and S. Oda
  • Total Pages: 23
  • Publisher: CRC press
• [Remarks] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100574609