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半導体中に量子ビットを自在に形成するナノスケール単一イオン注入

研究課題

研究課題/領域番号 23K25134
補助金の研究課題番号 22H03880 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分80040:量子ビーム科学関連
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

佐藤 真一郎  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 量子機能創製研究センター, 上席研究員 (40446414)

研究分担者 羽倉 尚人  東京都市大学, 理工学部, 准教授 (00710419)
土田 秀次  京都大学, 工学研究科, 准教授 (50304150)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
2022年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
キーワードイオン注入 / 量子ビーム科学 / 量子ビット / 欠陥エンジニアリング / 照射欠陥
研究開始時の研究の概要

半導体中にイオン注入した不純物原子は、その電子準位を高度に制御することによって、量子計算や量子通信に不可欠な量子ビットとして用いることができるが、ナノメートル精度で複数の量子ビットを配列する(多量子ビット化)には未だ大きなハードルがある。本研究では、多様なイオン種・エネルギー範囲に対応できる汎用的な「単一ナノイオン注入」を開発し、これまで為し得なかった「半導体内に不純物原子(量子ビット)をナノメートル精度で自由自在に配置する」ことを実現し、量子技術基盤へのイノベーションをもたらす量子ビーム技術の確立を目指す。

研究実績の概要

半導体中にドープしたPドナーや遷移金属といった不純物原子は、その電子準位を高度に制御することによって、量子計算や量子通信に不可欠な量子ビットとして用いることができる。複数の量子ビットを操る量子デバイスを作製するためには、ナノメートルスケールの特定の位置に量子ビットを必要な数だけ配置しなければならないが、そのためには、ナノメートル精度で位置や数を高度に制御する単一イオン注入技術の開発が不可欠である。
昨年度(2022年度)は、ワイドギャップ半導体のひとつである窒化ガリウム(GaN)に対し、α線が入射した際に発生する誘起過渡電流を解析することで、単一イオンヒット検出が可能な条件の検討をおこない、量子ビット形成に用いられるエネルギー範囲である100keV以下のイオン注入の検出が可能であることを明らかにした。今年度は、タンデム加速器からのイオンビームを用いて、100keV~数MeVのイオンビームを照射した際のイオンヒット検出に挑戦した結果、信号の検出には成功したものの、入射エネルギーに対する系統的な結果を取得するには至っていない。
また、ナノスケールイオン注入の実現に向け、マイクロピンホールをつかった簡易マイクロビームを開発した他、ガラスキャピラリを用いた微小領域へのイオンビーム照射による量子ビット形成実験を行った。5μmφガラスキャピラリを透過したMeV級イオンビームの炭化ケイ素(SiC)半導体への照射により、量子ビットとなりうるスピン欠陥であるシリコン空孔を等間隔に配列して形成することに成功した。ただし、シリコン空孔の形成領域は約8μmφとガラスキャピラリの直径よりもやや大きく、配列間隔もナノメートルスケールよりもかなり大きいため、今後は形成領域・間隔の縮小を進めていく。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ナノスケール単一イオン注入の実現に向け、単一イオンヒットの検出に成功している他、イオン照射によって形成した量子ビット候補(シリコン空孔)の等間隔配列には成功したことから、概ね予定通りと判断する。

今後の研究の推進方策

今後は、以下の方針で研究を推進する。
まず、単一イオン注入に関しては、単一イオンヒット検出用のデバイス構造を再検討し、検出確度・検出エネルギー閾値の改善を行う。入射エネルギーに対する検出信号強度や検出確度を評価し、100keV程度の重イオンビームを確実に検出する技術を確立する。同時並行にて、希土類イオンビーム加速のためのイオン源の開発を行い、希土類イオンビーム強度、安定性の評価を行う。希土類イオンビームの開発完了後、窒化ガリウムにプラセオジムやネオジムを注入し、その発光特性を、共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡にて評価する。
ナノスケールイオン注入については、ガラスキャピラリによる微小領域へのイオン照射については、ガラスキャピラリ径を100nmφ程度にまで縮小し、ナノスケール領域への注入+量子ビット配列を達成することを目指す。ナノメートル径キャピラリの作製については過去に事例がないため、最適な作製方法を考案する。
最後に、これらを組み合わせ、ナノイオンビームの単一イオン検出実験を行うとともに、ナノスケール間隔での単一イオン注入を行い、その注入領域配列を共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡にて観察する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] Poland Academy of Science(ポーランド)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche(イタリア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Poland Academy of Science(ポーランド)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche(イタリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Optical activation of implanted lanthanoid ions in aluminum nitride semiconductors by high temperature annealing2024

    • 著者名/発表者名
      Sato Shin-ichiro、Shojiki Kanako、Yoshida Ken-ichi、Minagawa Hideaki、Miyake Hideto
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 14 号: 2 ページ: 340-340

    • DOI

      10.1364/ome.507312

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optical activation of praseodymium ions implanted in gallium nitride after ultra-high pressure annealing2024

    • 著者名/発表者名
      Ito Shin、Sato Shin-ichiro、Bockowski Michal S.、Deki Manato、Watanabe Hirotaka、Nitta Shugo、Honda Yoshio、Amano Hiroshi、Yoshida Ken-ichi、Minagawa Hideaki、Hagura Naoto
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 547 ページ: 165181-165181

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165181

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhancing Room-temperature Photoluminescence from Erbium-doped Silicon by Fabricating Nanopillars in a Silicon-on-Insulator Layer2023

    • 著者名/発表者名
      Yuma Takahashi, Tomoki Ishii, Kaisei Uchida, Takumi Zushi, Lindsay Coe, Shin-ichiro Sato, Enrico Prati, Takahiro Shinada, Takashi Tanii
    • 雑誌名

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      巻: 21 号: 4 ページ: 262-266

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2023-041

    • ISSN
      1348-0391
    • 年月日
      2023-05-04
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhancing room-temperature photoemission from erbium-doped silicon by fabricating nanopillars in a silicon-on-insulator layer2023

    • 著者名/発表者名
      Yuma Takahashi, Tomoki Ishii, Kaisei Uchida, Takumi Zushi, Lindsay Coe, Shin-ichiro Sato, Enrico Prati, Takahiro Shinada, Takashi Tanii
    • 雑誌名

      e-JSSNT

      巻: in Press

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 窒化物半導体中プラセオジムの4f 殻内遷移発光に寄与する電子準位2024

    • 著者名/発表者名
      佐藤真一郎、正直花奈子、三宅秀人
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Optical activation of Praseodymium ions implanted in GaN after Ultra-High Pressure Annealing2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Shin、Sato Shin-ichiro、Bockowski Michal S.、Deki Manato、Watanabe Hirotaka、Nitta Shugo、Honda Yoshio、Amano Hiroshi、Yoshida Ken-ichi、Minagawa Hideaki、Hagura Naoto
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical and Structural Properties of Praseodymium-Implanted AlN Films2023

    • 著者名/発表者名
      Shojiki Kanako, Sato Shin-ichiro, Yoshida Ken-ichi, Minagawa Hideaki, Miyake Hideto
    • 学会等名
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of single ion induced signals in gallium nitrides2023

    • 著者名/発表者名
      Fujita Taiki, Sato Shin-ichiro, Deki Manato, Watanabe Hirotaka, Nitta Shugo, Honda Yoshio, Amano Hiroshi, Tsuchida Hidetsugu
    • 学会等名
      26th International Conference on Ion Beam Analysis (IBA-2023) and 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission (PIXE-2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 窒化ガリウム半導体に注入した希土類イオンの発光をナノ構造を使って増強する2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤真一郎
    • 学会等名
      QST高崎サイエンスフェスタ2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 都市大タンデムの現状(2022年度)2023

    • 著者名/発表者名
      羽倉 尚人, 渡部 創, 佐藤 真一郎
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 窒化ガリウム半導体における単一イオンヒット検出条件の検討2023

    • 著者名/発表者名
      藤田 泰樹, 佐藤 真一郎, 出来 真斗, 渡邉 浩崇, 新田 州吾, 本田 善央, 天野 浩, 土田 秀次
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 希土類イオン注入したGaNの超高圧熱処理による発光特性と結晶構造の変化2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 慎, 佐藤 真一郎, Michal Bockowski, 出来 真斗, 吉田 謙一, 南川 英輝, 羽倉 尚人
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 窒化アルミニウムにイオン注入したランタノイドの室温発光スペクトル2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤 真一郎,正直 花奈子,吉田 謙一,南川 英輝,三宅 秀人
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 量子ビームを用いた半導体中の機能性欠陥の研究2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤 真一郎
    • 学会等名
      京都大学宇治キャンパス公開2022 第23回工学研究科附属量子理工学教育研究センター 公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Lanthanoid Implanted GaN with Enhanced Photon Emission for Nanophotonic Applications2022

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichiro Sato, Takao Oto, Shuo Li, Manato Deki, Tomoaki Nishimura, Takeshi Ohshima, Hirotaka Watanabe, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano, Brant C. Gibson, Andrew D. Greentree
    • 学会等名
      The 32nd annual meeting of MRS-J
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Room Temperature Photoluminescence of Lanthanoid Implanted GaN after Ultra High Pressure Annealing2022

    • 著者名/発表者名
      Shin Ito, Shin-ichiro Sato, Michal Bockowski, Manato Deki, Naoto Hagura
    • 学会等名
      The 32nd annual meeting of MRS-J
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Purcell Enhancement of Near Infrared Photoluminescence from Nd-doped GaN Photonic Crystal L3 Cavity2022

    • 著者名/発表者名
      Shinichiro Sato, Takao Oto
    • 学会等名
      Defects in solids for quantum technologies(DSQT)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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