| Project/Area Number |
22K18292
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
土方 泰斗 埼玉大学, 情報メディア基盤センター, 准教授 (70322021)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 雄一郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (90762336)
大島 武 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, センター長 (50354949)
針井 一哉 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 主任研究員 (00633900)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
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| Keywords | 炭化ケイ素(SiC) / もつれ光子対 / 単一光子源 / MOS界面 / 炭化ケイ素(SiC)半導体 / 量子暗号通信 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，単一光子源(SPS)としてSiC半導体中のMOS界面に現れるカラーセンタ（表面SPS）に着目し，これを用いた もつれ光子対の生成方法を考案し，それをLED等のデバイスに導入して世界初の室温電子駆動型もつれ光子対発生デバイスの実現を試みる．さらに，このような量子光デバイスの集積化やSiデバイスとの統合化を図る技術開発へと研究を展開していく．
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| Outline of Annual Research Achievements |
第一原理計算を駆使して３準位系を有する表面SPSの欠陥構造を特定し，その形成エネルギーの計算から欠陥形成に適した酸化プロセスを構築していく．応募者らが過去に行った酸素関連欠陥の形成エネルギーの計算結果よると，最表面Siサイトに酸素が入った欠陥(OSi(1))は３準位系を有し，酸素化学ポテンシャルの高い領域で形成エネルギーが低いため，十分な酸素供給量を有する雰囲気（高圧酸素雰囲気下等）での酸化を行うことで優先的に形成されると予想される．
本年度は，酸化条件として酸素圧を0.3－2atmまで変えて試料を作製し，それぞれの試料で表面SPSと思われる発光点のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルおよびPLマッピング，光子相関測定，並びに偏光特性評価を行なった．その結果，PLスペクトルやPLマッピング，光子相関測定による単一光子源生成率に関しては特段の差異は見られなかったものの，唯一2atmの偏光特性測定において，直線偏光の偏光方位が統一されるという結果が得られた．
エレクトロルミネッセンス(EL)デバイスの実現に向けて，1つのデバイスに対し１つないしは数個の表面SPSを内包するための「表面SPS間引きプロセス」の開発を行った．まず，酸化膜をフッ酸で除去した領域は，表面SPSを完全には除去できないことを確認した．そこで，Arミリングを用いて，酸化膜だけでなくSiC層も30nmほどエッチングしたところ，今度は表面SPSの完全除去を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
酸素圧2atmで見られた偏光方位が統一化されるという結果は，等方的な(0001)Si面から放出された光子であることを考慮すると，極めて奇妙な結果である．現在，使用基板にオフ角が与えられている点に着目し，異方性の有するステップ面((11-20)a面)で優先的にSPSが形成されたのではないかと推論している．これを検証するため，基板オフ角の小さな基板を用い，原子ステップを基板表面から減らし，ステップとSPSの位置関係を明らかにすることでメカニズム解明を目指す．
表面SPSを任意の位置・密度に制御することが可能な，表面SPS間引きプロセスの開発に成功した．これにより，今後単一光子やもつれ光子対のELデバイスを開発する上で極めて有用なデバイス作製プロセスが構築された．
しかしその一方，肝心のもつれ光子対の観測にはまだ成功できていない．まずは高圧酸化試料に対し赤外域の発光点を丹念に探索し，発見でき次第，今年度においてようやく完成した*赤外域光子相関測定系を用い，まずはその光子源が３準位系であるかどうかを検証する．
*当時の半導体不足により 納品が１年間遅れていた
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは酸素圧2atmの試料に対し，赤外域PLスペクトルおよびPLマッピング，光子相関励起強度依存性等の測定を実行し，３準位系SPS形成を検証する．３準位系の確認後，カスケード光放出に伴うもつれ光子対生成の検証を行う．ここで，まずは光励起によってもつれ光子対の確認を試みる．量子もつれの検証には量子状態トモグラフィ法あるいは伝令付きHanbury-Brown-Twiss干渉計を用いた光子相関測定により執り行う．光励起によるもつれ光子対生成に成功した場合，今度は電流注入励起に挑戦し，もつれ光子対発生デバイスの実現を目指す．
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