単一界面欠陥のチャージポンピング過程を用いた２電子スピン相関の室温観測

• 研究課題/領域番号: 16H06087
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 堀 匡寛 静岡大学, 電子工学研究所, 講師 (50643269)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2017年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2016年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
• キーワード: シリコンMOSFET / 界面欠陥 / チャージポンピング法 / 電子スピン共鳴法 / EDMR法 / 信頼性評価 / 再結合過程 / 量子情報 / シリコン / MOSFET / ドーパント / チャージポンピング / EDMR / 電子スピン共鳴 / ダングリングボンド / 量子準位 / 電子スピン / 半導体デバイス

研究成果の概要

ゲートへの高周波電圧印加により、電子正孔再結合を誘導するチャージポンピング法は、MOSトランジスタの界面欠陥評価法として広く用いられている。本研究課題では、「チャージポンピング法」にスピン共鳴の手法を取り入れ、シリコン/シリコン酸化膜界面の欠陥に対して電気的性質と化学的(磁気的)性質を同時に評価できる新手法を確立した。また、チャージポンピング過程を正確に記述する新たな理論体系を構築した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、従来の「チャージポンピング法」と「電子スピン共鳴法」を組み合わせることで、シリコン・トランジスタの界面欠陥を高精度で観測する手法を確立した。これにより、界面欠陥の電子スピンの状態を高精度で観測することが可能となり、トランジスタの性能劣化の原因となる界面欠陥の構造を同定することに成功した。本研究課題で確立した手法は、トランジスタの信頼性評価、ならびに、量子情報処理における電子スピン制御の分野において、新たな分析手法となることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Coulomb-blockade transport in selectively-doped Si nano-transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Afiff, A. Samanta, A. Udhiarto, H. Sudibyo, M. Hori, Y. Ono, M. Tabe, D. Moraru
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 12 号: 8 ページ: 085004-085004
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab2cd7
  • NAID: 210000156539
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge pumping under spin resonance in Si(100) metal-oxide-semiconductor transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 11 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.11.064064
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-charge band-to-band tunneling via multiple-dopant clusters in nanoscale Si Esaki diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Prabhudesai, M. Muruganathan, L. T. Anh, H. Mizuta, M. Hori, Y. Ono, M. Tabe, D. Moraru
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 114 号: 24
  • DOI: 10.1063/1.5100342
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electron aspirator using electron-electron scattering in nanoscale silicon (2018)
  • 著者名/発表者名: Firdaus Himma、Watanabe Tokinobu、Hori Masahiro、Moraru Daniel、Takahashi Yasuo、Fujiwara Akira、Ono Yukinori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 48131-48131
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07278-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of single holes generated by impact ionization in silicon (2018)
  • 著者名/発表者名: Firdaus Himma、Watanabe Tokinobu、Hori Masahiro、Moraru Daniel、Takahashi Yasuo、Fujiwara Akira、Ono Yukinori
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 16 ページ: 163103-163103
  • DOI: 10.1063/1.5046865
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection and Characterization of Single Near-Interface Oxide Traps with the Charge Pumping Method (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Proceedings of 2018 IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA) 巻: - ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/ipfa.2018.8452495
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time Monitoring of Charge-pumping Process for SiO2/Si Interface Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, T. Watanabe and Y. Ono
  • 雑誌名: Intl. Symp. Elec. and Com. Eng 巻: - ページ: 52-56
  • DOI: 10.1109/qir.2017.8168450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-electron quantization at room temperature in a-few-donor quantum dot in silicon nano-transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: A.Samanta, M.Muruganathan, M.Hori, Y.Ono, H.Mizuta, M.Tabe, D.Moraru
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 110 号: 9
  • DOI: 10.1063/1.4977836
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of charge-pumping electrically detected magnetic resonance and its application to silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Hori, T.Tsuchiya, Y.Ono
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 10 号: 1 ページ: 015701-015701
  • DOI: 10.7567/apex.10.015701
  • NAID: 210000135738
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-domain charge pumping on silicon-on-insulator MOS devices (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, M. Hori, T. Tsuchiya, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56
  • NAID: 210000147329
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] EDMR on Recombination Process in Silicon MOSFET at Room Temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Springer Series Advances in Intelligent Systems and Computing, Recent Global Research and Education :Technological Challenges 巻: 519 ページ: 89-93
  • DOI: 10.1007/978-3-319-46490-9_13
  • ISBN: 9783319464893, 9783319464909
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Manipulation of Single Charges Using Dopant Atoms in Silicon - Interplay with Intervalley Phonon Emission (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, M. Hori, G. P. Lansbergen, A. Fujiwara
  • 雑誌名: Springer Series Advances in Intelligent Systems and Computing, Recent Global Research and Education :Technological Challenges 巻: 519 ページ: 137-141
  • DOI: 10.1007/978-3-319-46490-9_20
  • ISBN: 9783319464893, 9783319464909
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ナノスケール・シリコンにおける電子・電子散乱を利用したエレクトロン・アスピレーター (2020)
  • 著者名/発表者名: 小野行徳, ヒンマ フィルダウス, 渡邉時暢, 堀匡寛, ダニエル モラル, 高橋 庸夫, 藤原聡
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] シリコンMOSトランジスタにおける電子スピン共鳴下のチャージポンピング (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] チャージポンピング法による単一Pb1センターの検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Charge Pumping in Silicon MOSFETs-Towards Ultimate Control of Charges and Spins- (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, T. Tsuchiya, Y. Ono
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VIII)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Si electron nano-aspirator en-route for energy-efficient hydro-electronic devices (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Rasanoelina, H. Firdaus, T. Watanabe, M. Hori, D. Moraru, Y. Takahashi, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] シリコンMOS界面のチャージポンピングEDMRにおける信号強度の温度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 土屋敏章, 小野行徳
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単一MOS 界面トラップの2 電子準位の相関I -準位密度分布- (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単一MOS 界面トラップの2 電子準位の相関 II -電子捕獲過程- (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Charge pumping EDMR on silicon MOSFETs (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: 5th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコンMOS界面におけるチャージポンピングEDMR (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ２トラップ間のチャージポンピング相互作用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Effect of dimensionality on the formation of dopant-induced quantum-dots in heavily doped Si Esaki diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Prabhudesai, M. Manoharan, M. Hori, Y. Ono, H. Mizuta, M. Tabe, D. Moraru
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Remote Detection of Holes Generated by Impact Ionization (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Firdaus, M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: The 17th International Conference on Global Research and Education (Inter-Adademia 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Detection and Characterization of Single Near-Interface Oxide Traps with the Charge Pumping Method (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: 2018 IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA)
  • 国際学会
• [学会発表] チャージポンピングEDMR 法を用いたSiO2/Si 界面の欠陥検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 2018 年日本表面真空学会中部支部研究会『Si 表面・界面・ナノ構造の研究最前線』
  • 招待講演
• [学会発表] Silicon-on-insulatorデバイスにおける低温チャージポンピング (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邉時暢、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス研究会
• [学会発表] PtHfSi/p-Si(100)ショットキー接合の低温特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邉時暢、多胡友、杉浦史悦、堀匡寛、小野行徳、塚本裕也、大見俊一郎
  • 学会等名: 平成29年度生体医歯工学共同研究拠点成果報告会
• [学会発表] 身近な糖を燃料とするバイオ発電デバイスの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三宅丈雄、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 平成29年度生体医歯工学共同研究拠点成果報告会
• [学会発表] チャージポンピングＥＤＭＲ法を用いたシリコン酸化膜界面欠陥の検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] チャージポンピング法によるSi/SiO2界面近傍酸化膜トラップの評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] チャージポンピングEDMR法における信号強度の温度異存性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤克哉、堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] シリコンにおけるチャージポンプー電荷とスピンの室温極限操作に向けてー (2017)
  • 著者名/発表者名: 小野 行徳、堀 匡寛、土屋 敏章
  • 学会等名: 第29回シリサイド系半導体研究会
  • 発表場所: 八洲学園大学、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] Silicon-on-insulator MOS デバイスにおける実時間チャージポンピングの応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 時暢、堀 匡寛、土屋 敏章、藤原 聡、小野 行徳
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Study of Electron Localization Effects in Donor-Acceptor Pairs in Low-Dimensional Si Tunnel Diodes (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Prabhudesai, T. Anh, M. Shibuya, M. Manoharan, M. Hori, Y. Ono, H. Mizuta, M. Tabe, D. Moraru
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Study of Stability of A-few-donor Quantum Dots with Different Configurations for Room-Temperature Single-Electron Tunneling Operation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hasan, A. Samanta, A. Afiff, T. Anh, M. Manoharan, M. Hori, Y. Ono, H. Mizuta, M. Tabe, D. Moraru
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] SOI MOS p-i-nダイオードの低温チャージポンピング (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 時暢、堀 匡寛、小野 行徳
  • 学会等名: 電子情報通信学会研究会
  • 発表場所: 北海道大学、北海道札幌市
  • 年月日: 2017-02-24
• [学会発表] Observation of Impact Ionization in Silicon at Low Temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, H. Firdaus, and M. Hori
  • 学会等名: IV Bilateral Italy-Japan Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charge pumping EDMR towards ultimate charge/spin control at room temperature in silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori and Y. Ono
  • 学会等名: IV Bilateral Italy-Japan Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sensitive Detection of Holes Generated by Impact Lonization in Silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Firdaus, M. Hori, Y. Takahashi, A. Fujiwara, and Y. Ono
  • 学会等名: 2017 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Real-time Monitoring of Charge-pumping Process for SiO2/Si Interface Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, T. Watanabe, and Y. Ono
  • 学会等名: The 15th International Conference on QiR
  • 国際学会
• [学会発表] Charge Pumping EDMR for Si/SiO2 Interface Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Biomedical Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] チャージポンピングＥＤＭＲ法を用いたシリコン酸化膜界面欠陥の検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Charge pumping EDMR for MOS interface analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Hori, Y.Ono
  • 学会等名: The 18th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • 発表場所: Shizuoka University, Hamamatsu, JAPAN
  • 年月日: 2016-11-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Silicon Single Boron Transistor (2016)
  • 著者名/発表者名: Y.Ono, M.Hori, A.Fujiwara
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Nano Electronics Research and Education (ICNERE2016)
  • 発表場所: Malang, INDONESIA
  • 年月日: 2016-10-31
  • 国際学会
• [学会発表] EDMR on recombination process in Silicon MOSFETs at room Temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Hori, Y.Ono
  • 学会等名: 15th International Conference on Global Research and Education (Inter-Academia 2016)
  • 発表場所: Warsaw University, POLAND
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] Manipulation of Single Charges Using Dopant Atoms in Silicon-Interplay with Intervalley Phonon Emission (2016)
  • 著者名/発表者名: Y.Ono, M.Hori, G.P.Lansbergen, A.Fujiwara
  • 学会等名: 15th International Conference on Global Research and Education (Inter-Academia 2016)
  • 発表場所: Warsaw University, POLAND
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] 高感度チャージポンピングEDMR法の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀 匡寛、成松 諒一、土屋 敏章、小野 行徳
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Analysis of phonon assistance as a function of temperature in inter-band tunneling in 2D Si lateral Esaki diodes (2016)
  • 著者名/発表者名: D.Moraru, M.Shibuya, R.Nuryadi, M.Hori, Y.Ono, M.Tabe
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Time domain charge pumping on silicon-on-insulator MOS transistors (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, M.Hori, Y.Ono
  • 学会等名: 2016 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD2016)
  • 発表場所: Hakodate Kokusai Hotel, Hakodate, JAPAN
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会
• [学会発表] Charge pumping EDMR towards charge/spin manipulation in silicon at room temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Hori, R.Narimatsu, Y. Ono
  • 学会等名: 2016 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW2016)
  • 発表場所: Hilton Hawaiian Village, Honolulu, USA
  • 年月日: 2016-06-12
  • 国際学会
• [学会発表] Novel application of the charge pumping process for charge and spin control (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: EMN Meeting on Quantum 2016 (EMN2016)
  • 発表場所: Holiday Inn Resort Phuket, Phuket, THAILAND
  • 年月日: 2016-04-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/
• [備考] 静岡大学プレスリリース「トランジスタ界面欠陥の高精度観測技術を確立」2019年06月24日
  • URL: https://www.shizuoka.ac.jp/pressrelease/pdf/2019/PressRelease_11.pdf
• [備考] OPTRONICS ONLINE「静大，トランジスタ界面欠陥を高精度で観測」2019年06月25日
  • URL: http://www.optronics-media.com/news/20190625/58192/
• [備考] 静岡大学電子工学研究所 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/