炭化ケイ素中の高輝度単一発光中心のフォトン・スピン制御

• 研究課題/領域番号: 26286047
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 結晶工学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2016); 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 (2014-2015)
• 研究代表者: 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 先端機能材料研究部, 上席研究員 (50354949)
• 研究分担者: 藤ノ木 享英 (梅田享英 / 藤ノ木 享英(梅田享英)) 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (10361354)
• 連携研究者: 小野田 忍 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・先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (30414569)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円); 2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2015年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2014年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線

研究成果の概要

炭化ケイ素（SiC）中の単一光子源（SPS）となる発光中心の探索、及びSPSであるシリコン（Si）空孔（Vsi）の導入に関する研究を推進した。構造未同定ではあるがSiC表面に高輝度なSPSが形成できること、更に、550C以上の酸素処理を行うとSPSの発光が安定することを明らかにした。また、pnダイオードや金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ中にSPSが形成できることを確認した。
加えて、MeV級の加速エネルギーを用いた陽子線描画（PBW）を用いることで、照射後にアニール等の処理をしなくても任意の位置にVsiを形成できること、及びVsiの生成収率が照射量の10%程度であることを明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wurzburg/University of Stuttgart(Germany)
• [国際共同研究] University of Melbourne/RMIT University(Australia)
• [国際共同研究] Linkoping University(Sweden)
• [国際共同研究] University of Chicago/Stanford University(米国)
• [国際共同研究] University of Melbourne/RMIT University(Australia)
• [雑誌論文] Locking of Electron Spin Coherence above 20 ms in Natural Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Simin, H. Kraus, A. Sperlich, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.161201
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Scalable Quantum Photonics with Single Color Centers in Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Radulaski, M. Widmann, M. Niethammer, J. L. Zhang, S.-Y. Lee, T. Rendler, K. G. Lagoudakis, N. T. Son, E. Janzeen, T. Ohshima, J. Wrachtrup, J. Vuckovic
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 17 号: 3 ページ: 1782-1786
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05102
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Proton Beam Writing (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, M. Haruyama, T. Kamiya, T. Satoh, Y. Hijikata, W. Kada, O. Hanaizumi, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • 雑誌名: Mater. Sci. Forum 巻: 897 ページ: 233-237
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.897.233
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Three-Dimensional Proton Beam Writing of Optically Active Coherent Vacancy Spins in Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kraus, D. Simin, C. Kasper, Y. Suda, S. Kawabata, W. Kada, T. Honda, Y. Hijikata, T. Ohshima, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: - 号: 5 ページ: 2865-2870
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05395
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vector Magnetometry Using Silicon Vacancies in 4H-SiC Under Ambient Conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Stenberg, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 6 号: 3 ページ: 034001-034001
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.6.034001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Activation and Control of Visible Single Defects in 4H-, 6H-, and 3C-SiC by Oxidation (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Lohrmann, S. Castelletto, J. R. Klein, T. Ohshima, M. Bosi, M. Negri, D. W. M. Lau, B. C. Gibson, S. Prawer, J. C. McCallum and B. C. Johnson
  • 雑誌名: Applied Physics Letter 巻: 108 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4939906
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-Photon Emitting Diode in Silicon Carbide (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Lohrmann, N. Iwamoto, Z. Bodrog, S. Castelletto, T. Ohshima, T. J. Karle, A. Gali, S. Prawer, J. C. McCallum and B. C. Johnson
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms8783
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Isolated Electron Spins in Silicon Carbide with Millisecond Coherence Times (2015)
  • 著者名/発表者名: David J. Christle, Abram L. Falk, Paolo Andrich, Paul V. Klimov, Jawad Ul Hassan, Nguyen T. Son, Erik Janzen, Takeshi Ohshima and David D. Awschalom
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 14 号: 2 ページ: 160-163
  • DOI: 10.1038/nmat4144
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coherent Control of Single Spins in Silicon Carbide at Room Temperature (2015)
  • 著者名/発表者名: MatthiasWidmann, Sang-Yun Lee, Torsten Rendler, Nguyen Tien Son, Helmut Fedder, Seoyoung Paik, Li-Ping Yang, Nan Zhao, Sen Yang, Ian Booker, Andrej Denisenko, Mohammad Jamali, S. Ali Momenzadeh, Ilja Gerhardt, Takeshi Ohshima, Adam Gali, Erik Janzen and Jorg Wrachtrup
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 14 号: 2 ページ: 165-168
  • DOI: 10.1038/nmat4145
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETチャネルの単一光子源の偏光角度依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、岡本光央、小野田忍、大島武、春山盛善、加田渉、花泉修、小杉亮治、原田信介、梅田享英
  • 学会等名: 2017年 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] SiC pinダイオード中の発光中心の観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常見 大貴、本多 智也、牧野 高紘、小野田 忍、佐藤 真一郎、土方 泰斗、大島 武
  • 学会等名: 2017年 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] Creation of Single Photon Sources in Wide Bandgap Semiconductors by Ion Irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson3, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 第26回 日本MRS年次大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館 他、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2016-12-19
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代高機能デバイスを目指し原子のスピンと光を操る (2016)
  • 著者名/発表者名: 大島 武
  • 学会等名: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京都江戸川区
  • 年月日: 2016-11-14
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETにおける単一発光欠陥の酸化膜界面依存性の共焦点顕微鏡評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、岡本光央、小杉亮治、原田信介、波多野睦子、岩崎孝之、小野田忍、春山盛善、加田渉、花泉修、大島武、梅田享英
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第3回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2016-11-08
• [学会発表] プロトンビームライティングによるSiC中へのシリコン空孔の形成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本多 智也、Kraus Hannes、加田 渉、小野田 忍、春山 盛善、佐藤 隆博、江夏 昌志、神谷 富裕、川端 駿介、三浦 健太、花泉 修、土方 泰斗、大島 武
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第3回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2016-11-08
• [学会発表] Creation of Single Photon Emitters in Silicon Carbide using Particle Beam Irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 20th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM2016)
  • 発表場所: Wellington, New Zealand
  • 年月日: 2016-10-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Irradiation and Thermal Treatment (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Excitation Properties of the Divacancy in 4H and 3C SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: I. G. Ivanov, N. T. Son, T. Ohshima, E. Janzen
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Coherence Properties of the Silicon Vacancy in SiC: from Ensemble to Single Defects (2016)
  • 著者名/発表者名: D.Simin, H. Kraus, A. Sperlich, M. Trupke, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Vector Magnetic Field Sensing using Defect Spins in 4H-SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Neumann, P. Stenberg, H. Pedersen, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Charge State Switching of Single Silicon Vacancies in SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Widmann, M. Niethammer, S.-Y. Lee, I. Booker, T. Ohshima, A. Gali, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETにおける単一発光欠陥の界面酸化プロセス依存性の共焦点顕微鏡評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、梅田享英、岡本光央、小杉亮治、原田信介、波多野睦子、岩崎孝之、小野田忍、大島武、春山盛善、加田渉、花泉修
  • 学会等名: 2016年 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] 3C-SiC中の表面に形成される単一発光源の発光特性と表面処理の関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本多 智也、小野田 忍、土方 泰斗、大島 武
  • 学会等名: 2016年 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] 4H-SiC MOSFET中の単一表面欠陥の共焦点顕微鏡観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅田享英，阿部裕太，Y.-W. Zhu，岡本光央，小杉亮治，原田信介，春山盛善，牧野高紘，小野田忍，大島武
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Visible Range Photoluminescence from Single Photon Sources in 3C, 4H and 6H Silicon Carbide (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Lohrmann, S. Castelletto, J. Klein, M. Bosi, M. Negri, D. W. M. Lau, B. C. Gibson, S. Prawer, J. C. McCallum, T. Ohshima, and B. C. Johnson
  • 学会等名: International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2016
  • 発表場所: National Convention Center (Canberra, Australia)
  • 年月日: 2016-02-07
  • 国際学会
• [学会発表] 高温熱処理したSiC中に存在する単一光子源 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大島 武，A. Lohrmann，B. C. Johnson，S. Castelletto，小野田忍，牧野高紘，武山昭憲，J. Klein，M. Bosi，M. Negri，D. W. M. Lau，B. C. Gibson，S. Prawer，J. C. McCallum
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会講演会第2回講演会
  • 発表場所: 大阪国際交流センター（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2015-10-09
• [学会発表] ESR study on Hydrogen Passivation of Intrinsic Defects in P-type and Semi-insulating 4H-SiC (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Murakami, S. Tanai, T. Okuda, J. Suda, T. Kimoto, and T. Umeda
  • 学会等名: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015
  • 発表場所: Giardini Naxos (Sicily, Italy)
  • 年月日: 2015-10-04
  • 国際学会
• [学会発表] Single-Photon Emitting Diode in 4H- and 6H-SiC (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Lohrmann, N. Iwamoto, Z. Bodrog, S. Castelletto, T. Ohshima, T. J. Karle, A.Gali3, S.Prawer, J.C. McCallum, and B.C. Johnson
  • 学会等名: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015
  • 発表場所: Giardini Naxos (Sicily, Italy)
  • 年月日: 2015-10-04
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering Single Defects in Silicon Carbide Bulk, Nanostructures and Devices (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Castelletto, A. Lohrmann, A.F.M. Almutairi, D.W.M. Lau, M. Negri, M. Bosi, B. C. Johnson, B.C. Gibson, J. C. McCallum, A. Gali, and T. Ohshima
  • 学会等名: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015
  • 発表場所: Giardini Naxos (Sicily, Italy)
  • 年月日: 2015-10-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optically Active Defects in Silicon Carbide (2014)
  • 著者名/発表者名: B. C. Johnson, Alex Lohrmann, H. Bowers, J. C. McCallum and Takeshi Ohshima
  • 学会等名: Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2014)
  • 発表場所: The University of Western Australia (Perth, Australia)
  • 年月日: 2014-12-14 – 2014-12-17
• [学会発表] SiC中の単一発光源となる欠陥の探索 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大島 武，小野田忍，牧野高紘，岩本直也，B. C. Johnson，A. Lohrmann，T. Karle，J. C. McCallum，S. Castelletto，梅田享英，佐藤嘉洋，朱煜偉，V. Ivády，A. Gali，春山盛善，加田渉，花泉修
  • 学会等名: 2014年 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [備考] プロジェクト「半導体照射効果研究」
  • URL: http://www.taka.qst.go.jp/eimr_div/RadEffects/index_j.html
• [備考] SiC中の炭素アンチサイト-炭素空孔センターの発光特性評価【新単一発光源の探索】
  • URL: http://www.taka.jaea.go.jp/eimr_div/RadEffects/Defect_eng_j.html