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

2003 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, 助教授 (00221812) ; 黒田 忠広 慶應義塾大学, 理工学部, 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

シリコン(Si)量子コンピュータは、スピンフリーSi(スピンゼロの^<28>Siあるいは^<30>Si)基板内に20nm程度の微小間隔で^<31>Pを配列させ、これをキュービットとして利用するものである。本研究では、その基本的なデバイス構造作製を目指し、同位体組成制御エピタキシャル成長と均一性に優れた中性子照射改質技術を組み合わせた実験を行うことを目標とする。本方法は深さ方向に対してランダムなイオン注入技術に対して優れた特徴を有する。具体的には、天然Si(^<28>Si:^<29>Si:^<30>Si=92.2:4.7:3.1)/^<30>Si/天然Siの同位体ダブルヘテロ構造を作製すること、およびこの構造体に中性子照射を行い、^<30>Siの^<31>Pへの改質を行うことである。原料ガスとして、通常のSiH_4と濃縮^<30>SiH_4の交互供給により、ガスソースMBE装置を用いて、天然Si/^<30>Si(〜96%)/天然Siの同位体ダブルヘテロ構造作製に成功した。サンプルを日本原子力研究所において、中性子照射(熱中性子束1x10^<14>cm^<-2>s^<-1>、16時間)を行った。通常のSi基板の中性子照射では、^<31>Pの二次反応の影響はほぼ無視できるが、本サンプルでは、^<30>Siの濃度が高いため、二次反応のよる放射能が強いと考えられ、照射4ヶ月後においても、残留放射能が高い。このためSIMSによる分析は行っていないが、本手法により、深さ方向に制御された均一性の高いSi内^<31>P埋め込み層が実現されているものと推測される。さらに、本方法により^<29>Si/^<30>Si/^<29>Si同位体ヘテロ構造の中性子照射により、スピンフリーSi量子コンピュータの基本構造が可能である。

研究成果

• [文献書誌] Y.Nakabayashi: "Self-Diffusion in Intrinsic and Extrinsic Silicon Using Isotopically Pure ^<30>Silicon/Natural Silicon Heterostructures"Jpn.J.Appl.Phys.. 42・6. 3304-3310 (2003)
• [文献書誌] Y.Nakabayashi: "Type and charge states of point defects in heavily As- and B-doped silicon"Materials Science in Semiconductor Processing. 6. 15-19 (2003)
• [文献書誌] S.Yokoyama: "Solid-Phase Crystallization Behaviors of in-situ Phosphorus-Doped Amorphous Silicon Films Deposited Using Si_2H_6 and PH_3"J.Appl.Phys. 94・1. 770-773 (2003)
• [文献書誌] Y.Hoda: "Electronic states in silicon quantum dots : Multivalley artificial atoms"Phys.Rev.. 68・15. 155322-1-155322-7 (2003)
• [文献書誌] 江藤 幹雄: "量子ドットにおける核スピンのエンタングルメント機構"固体物理. 38・11. 725-732 (2003)
• [文献書誌] D.Mizoguchi: "A 1,2Gb/s/pin Wireless Superconnect based on Inductive Inter-chip Signaling"IEEE International Solid-State Circuits Conference, Dig.Tech Paper. 142-143 (2004)