SiC欠陥スピンの電気的高効率読出の確立に向けたスピン・光・電荷ダイナミクス解明
| Project/Area Number |
23K22796
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| Project/Area Number (Other) |
22H01526 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
森岡 直也 京都大学, 化学研究所, 准教授 (90905952)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
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| Keywords | 炭化ケイ素 / SiC / 点欠陥 / スピン / 電気的検出磁気共鳴 / 光電流 / 磁気共鳴 / 半導体 / シリコン空孔 |
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| Outline of Research at the Start |
炭化ケイ素（SiC）は高感度な量子センサや量子情報処理・通信において有用と目されている様々な点欠陥スピンをホストし、かつ電子デバイスとして良好な動作が可能な半導体材料である。これまでに光電流を用いてSiC中のスピン点欠陥のコヒーレントな量子情報が室温で電気的に検出できることが見出されてきたが、光電流がスピン依存性を獲得するメカニズムやスピン依存性の大きさの決定要因は未だ明らかではない。本研究では、光励起下におけるSiC中の点欠陥スピンと電荷のダイナミクスを詳細に研究し、室温量子エレクトロニクスの基盤となる高効率な電気的スピン情報読出技術の確立につなげる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子情報および量子センシング技術に用いる量子ビットリソースとして、炭化ケイ素（SiC）がホストする点欠陥のスピンに着目している。炭化ケイ素中の欠陥には室温で量子情報を維持可能な電子スピンが存在し、欠陥の光電流を検出する光電流磁気共鳴法（PDMR）により、電子スピンの量子情報を電気的に検出することが可能である。電気的検出は従来の光検出と比較して集積化や工業化に適している。しかし、炭化ケイ素中のスピンにおいて、光電流磁気共鳴法のメカニズムやスピン検出感度向上に向けた指針は十分に理解されていない。本研究では、点欠陥においてスピン、光、電荷が相互に絡み合うダイナミクスを研究し、光電流がスピン依存性を獲得するメカニズムの解明と、メカニズムの理解に基づいたスピン検出効率の向上を目指す。
本年度は、昨年度構築したPDMR測定装置を用いて、4H-SiC中のシリコン空孔のPDMRによるスピン検出に係る主要な光イオン化経路の研究を行った。PDMR信号の励起光強度依存性とシミュレーションとの比較により、欠陥の電子が伝導帯に至るまでの内部準位の主要な経路を同定し、光電流がスピン依存性を獲得するメカニズムを明らかにすることに成功した。本成果により、PDMRによってスピンを検出する際の適切な励起光照射シーケンスの指針を得ることができた。また、シリコン空孔から発生する光電流とその他のバックグラウンド電流を分離測定する技術を開発した。これにより、PDMRのスピンコントラストを支配する要因を研究するための基盤を整備することができた。
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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
当初1～2年度で計画していた主要なイオン化経路の同定に成功し、光電流がスピン依存性を獲得するメカニズムを予定通り解明することができた。また欠陥からの電流とバックグラウンド成分の分離手法の開発に成功したことで、それぞれからの光電流を支配する要因を個別に評価する体制を整え、次年度への準備が進んでいる。これらの状況を鑑み、高感度なスピン検出を目指した光・電気・スピンのダイナミクスの理解に向けて概ね計画通りに進捗していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる来年度は、欠陥からの電流生成におけるイオン化断面積の理解に基づく光電流生成効率の解明と、バックグラウンド電流を支配する要因の解明を進める。本研究で制作した電気的スピン測定装置では励起光波長を変えて測定することが可能であるため、今年度に実現した欠陥とバックグラウンド電流の分離測定手法と励起光スペクトル分解の手法を組み合わせる計画である。これにより効率的に光イオン化可能な波長とその物理、バックグラウンド電流の起源、およびスピン信号コントラストの制限要因を明らかにしてゆく。これらの研究結果を総合し、SiC中の量子欠陥におけるスピン・光・電荷ダイナミクスの物理的理解を深め、スピン検出の高感度化への指針導出および実際の高感度測定の実現を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
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[Presentation] Spin-optical dynamics study and approach to quantum electronics for quantum applications of silicon vacancy in SiC2022
Author(s)
Naoya Morioka, Di Liu, Tetsuri Nishikawa, Oney O. Soykal, Hiroki Morishita, Izel Gediz, Charles Babin, Rainer Stoehr, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Nguyen Tien Son, Jawad Ul-Hassan, Florian Kaiser, Joerg Wrachtrup, and Norikazu Mizuochi
Organizer
The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications
Related Report
Int'l Joint Research / Invited
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