高感度チャージポンピング・スピン共鳴法の開発と電子対再結合のスピン制御

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13970
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 小野 行徳 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80374073)
• 研究分担者: 土屋 敏章 島根大学, 総合理工学研究科, 教授 (20304248) ; 堀 匡寛 静岡大学, 電子工学研究所, 講師 (50643269)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: チャージポンピング / 電子スピン共鳴 / シリコン酸化膜界面

研究実績の概要

本研究は、我々が培ってきた単一電荷転送と単一欠陥評価の独自技術をベースとして、これに電子スピン共鳴の技術を融合させることにより、新規な欠陥評価手法「高感度チャージポンピング・スピン共鳴法」を確立し、この新手法を基軸として、「電子対転送」のメカニズム解明に取り組み、「室温動作が可能な単一電荷、単一スピン制御技術」確立を目指すものである。
前年度、チャージポンピング（CP）とEDMR（Electrically detected magnetic resonance）を組み合わせたCP-EDMR法の立ち上げに成功したことを受け、今年度は、同手法の高感度化を行った。電流アンプの時定数を変調することにより低電流での観測が可能となり、これにより、シリコンMOSトランジスタを用いて、SiO2/Si界面欠陥のCP-EDMRの観測に世界で初めて成功した。現在、検出スピン数の下限値は1000スピン程度であるが、CPを高周波で行うことにより単一スピンの検出が可能であるとの見通しが得られた。
また、CP-EDMR法で用いるゲート電圧パルスを変調することにより、エネルギー分光が可能であることを実証するとともに、再結合電流に同期した電子放出電流を観測した。これは同手法によりスピン相関を観測することができることを初めて示すものである。
さらに、silicon-on-insulator (SOI) p-i-nダイオードに、実時間CP法を適用し、単一スピンの検出により適していると考えられるSOIデバイスにおけるCP電流の伝導メカニズムを明らかにした。

研究成果

• [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 ページ: 093107_1-5
  • DOI: http://aip.scitation.org/doi/full/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 ページ: 015701_1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.10.015701
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Time-domain charge pumping on silicon-on-indulator MOS devices (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Watanabe, M.Hori, T.Tsuchiya, A.Fujiwara, Y.Ono
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 56 ページ: 011303_1-5
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.56.011303
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] EDMR on recombination process in silicon MOSFETs at room temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Hori, Y.Ono
  • 雑誌名: Springer Advances in intelligent system and computing 巻: 519 ページ: 89-93
  • DOI: 10.1007/978-3-319-46490-9_13
  • 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 Advances in intelligent system and computing 巻: 519 ページ: 137-141
  • DOI: 10.1007/978-3-319-46490-9_20
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [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 – 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: 2017-03-16 – 2017-03-16
• [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: Prabhudesai Gaurang, Anh Le The, Shibuya Mitsuki, Manoharan Muruganathan, Hori Masahiro, Ono Yukinori, Mizuta Hiroshi, Tabe Michiharu, Moraru Daniel
  • 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: 2017-03-15 – 2017-03-15
• [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: Hasan KM Tarik, Samanta Arup, Affiff Adnan, Anh Le The, Manoharan Muruganathan, Hori Masahiro, Ono Yukinori ,Mizuta Hiroshi,Tabe Michiharu, Moraru Daniel
  • 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: 2017-03-15 – 2017-03-15
• [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 – 2017-02-24
• [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: 静岡大学（静岡県・浜松市）
  • 年月日: 2016-11-15 – 2016-11-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-dopant transistor and pump-interplay with single phonon- (2016)
  • 著者名/発表者名: 小野 行徳
  • 学会等名: フォノンエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2016-11-11 – 2016-11-11
  • 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: ICNERE EECCiS2016
  • 発表場所: マラン（インドネシア）
  • 年月日: 2016-10-31 – 2016-11-02
  • 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: Inter Academia2016
  • 発表場所: ワルシャワ（ポーランド）
  • 年月日: 2016-09-26 – 2016-09-28
  • 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: Inter Academia2016
  • 発表場所: ワルシャワ（ポーランド）
  • 年月日: 2016-09-26 – 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Charge Pumping Current from Single Si/SiO2 Interface Traps: Direct Observation of Pb Centers and Fundamental Trap-Counting by the Charge Pumping Method by the charge pumping method (2016)
  • 著者名/発表者名: 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 – 2016-09-16
  • 招待講演
• [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 – 2016-09-16
• [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: 函館国際ホテル（北海道・函館市）
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-06
  • 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: ホノルル（米国）
  • 年月日: 2016-06-12 – 2016-06-13
  • 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
  • 発表場所: プーケット (タイ)
  • 年月日: 2016-04-08 – 2016-04-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [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/