同位体組成制御と中性子照射改質に基づくSi量子計算の基礎研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13305025
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 松本 智 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (00101999)
• 研究分担者: 江藤 幹雄 慶應義塾大学, 理工学部, 専任講師 (00221812) ; 黒田 忠広 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (50327681) ; 桑野 博 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (10051525)
• キーワード: 量子コンピューティング / シリコン / スピンフリーシリコン / 同位体組成制御 / ^<31>P核スピン / 核磁気共鳴 / 単原子層ドーピング / 量子ダイナミックス

研究概要

固体量子コンピュータの数多い提案の中で、シリコン量子コンピュータは比較的現実的なアイディアとして注目されている。基本的な考えは、Si基板内に20nm程度の極微小間隔で^<31>Pを並べ、^<31>P核スピンをキュービットとして用い、上部電極の電圧により核磁気共鳴周波数を制御し、演算を実現しようとするものである。このときキュービットである^<31>P核スピンは、他原子のスピンからの干渉を受けないことが必須であるので、母材Siはスピンフリーでなければならない。ところが、天然Siには、3つの同位体^<28>Si、^<29>Si、^<30>Siが存在し、^<28>Siと^<30>Siはスピンゼロであるが、^<29>Siはスピンゼロではない。このため、ほぼ100%の^<28>Siあるいは^<30>Siの作成が必要である。本研究の目的は、その第1歩として、スピンフリーSiを作成することである。その結果、高純度の^<30>SiH_4原料ガスを用い、超高真空ガスソースMBE装置により、世界で始めて^<30>Siのエピタキシャル成長に成功した。結晶性については、RHEED(反射高エネルギー電子回折装置)によりその場で良好な単結晶性を確認した。また、それぞれの同位体組成の分析は、SIMS(2次イオン質量分析装置)を用いて評価した。その結果、^<30>Siの成分は、99.88%であり、ほぼ100%の値を達成した。また、今後^<30>Siの埋めこみ構造も必要となるが、連続エピタキシャル成長により天然Si/^<30>Si/天然Si構造を作成し、SIMS分析を'行い同位体分離がほぼ完全であることを確認した。さらに^<28>Siのエピタキシャル成長に関しても、現在、エピタキシャル成長実験を進めている。

研究成果

• [文献書誌] Y Nakabayshi: "Self-Diffusion in Extrinsic Silicon Using Istopically Enriched ^<30>Si Layer"Jpn. J. Appl. Phys.. Vol.40(3). L181-L182 (2001)
• [文献書誌] Y Nakabayashi: "Epitaxial Growth of Pure ^<30>Si Layers on a Natural Si(100) Substrate Using Enriched ^<30>SiH4"First Int' Workshop on Now Group IV Semiconductors. VI25 (2001)
• [文献書誌] H Mori: "Formation of Ge quantum dots on boron-reconstructed surface/Si(111)"Materials Science and Engineering. B89. 188-190 (2002)
• [文献書誌] T Yanagawa: "Initial Growth of titanium germanosilicide on Ge/Si(111)"Applied Surface Science. 175-176. 90-95 (2001)
• [文献書誌] Y.Hada: "Electronic States and Spin Configuration in Silicon Quantum Dots"Proc. of Int' Symposium on Mesoscopic Superconductivity and spintronics. (in press). (2002)
• [文献書誌] J.Seto: "Lateral Solid Phase Recrystallization on from the crystal seed in Ge-Ion-Implanted Amorphous Si Films"Jpn. J. Appl. Phys.. Vol.40. 2150-2154 (2001)