決定論的ドーピング法に基づく量子物性制御とその確率的情報処理・量子計測への応用

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03766
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 品田 賢宏 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (30329099)
• 研究分担者: 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708) ; 大矢 剛嗣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30432066) ; 河野 行雄 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90334250) ; 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718) ; 清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 決定論的ドーピング法 / 量子物性制御 / 量子物性制御デバイス / 確率的情報処理回路・システム / 量子計測

研究実績の概要

本研究では、決定論的ドーピング法の多元化、新たな量子物性の発現と制御、それらが動作を支配するデバイス・回路の創製、確率的情報処理・量子計測の展開を目指している。本年度は、以下の項目に取り組んだ。
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：室温で量子準位系の利用が期待されるドーパント（Ge、Er）、及び窒素-空孔（NV）センターをそれぞれSi、及びダイヤモンド表面に配列形成するプロセスを構築すると共に、以下に示す量子準位系の生成と評価を進めた。(1)Ge-空孔（GeVn）/Si：深い準位を作るGeイオン注入と続く低温熱処理によって生成されるGeVnに対して第一原理計算を行い、ドナー準位を同定した。室温での量子輸送を期待させる結果を得た。(2)Er/Si：2準位系を作るErを注入し、1.5um帯の赤外光照射による光励起電流を計測した。Erの光吸収スペクトルに比例する光励起電流を観測し、赤外領域での光吸収能を見出した。(3)Er-酸素複合体/Si：3次元アトムプローブ法により、単一フォトン源として期待されるEr-Ox複合体の分布を捉えることに成功し、光学的活性との関連性調査を開始した。(4) NVセンター/ダイヤモンド：NVセンターの生成収率を向上させると共に、基板表面の水素核スピンを検出（ナノNMR）できることを見出した。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発：テラヘルツ検出の周波数帯域に応じた最適なアンテナ構造を設計し、デバイスとの結合を行った。
③単一ドーパントデバイスの回路実装：単一ドーパントデバイスの特性・物理現象を解析し、既に単電子デバイス用に開発済みのシミュレーターの単ドーパント系への拡張を進めた。これを基に、想定される単ドーパントデバイスの回路構成を検討し、具体的なシミュレーションとその動作検証を行い、その有用性を確認した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

決定論的ドーピング法における注入可能な元素の拡充、及びドーパントが作る量子準位系の作製と評価が順調に進んでいる。これらの知見が、単一ドーパントデバイス上に構成される回路用のシミュレーター開発にフィードバックされ、革新的な情報処理を創出すべく、同デバイス固有の特性が柔軟に導入可能なシミュレーターへと拡張が図られている。加えて、NVセンター/ダイヤモンド系において、生成したNVセンターのほぼ全てを用い、水素核スピンが検出され、タンパク質等比較的大きな分子が少数個存在する系、及び水分子等比較的小さな分子に対して、言わばナノNMRの可能性が示されるなど新たな量子計測の展開が生まれている。

今後の研究の推進方策

①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：(1)Ge-空孔（GeVn）/Si：GeVnの1次元量子ドット配列系に拡張した計算に着手する。これにより、１次元量子ドット配列中の量子ランダムウォーク等の電子輸送機構の計算と実験による検証を進める。(2)Er/Si：Er注入領域面積および注入個数を低減することにより、単一不純物原子による光励起電流の計測および単一光子放出を目指す。(3)Er-酸素複合体/Si：Er-酸素の複合体の量とフォトルミネッセンス発光強度の関連について、より定量的な解析を実施する。これにより、ドーパント分布-発光分布の相関を得る一連の実験体系を構築し、Erのみならず、本課題の狙いであるSi及びダイヤモンド表面上に導入した他のドーパント種へも適用し、量子ドットとして機能する個々のドーパントを自在に配置するプロセスの開発を目指す。(4) NVセンター/ダイヤモンド：タンパク質等比較的大きな分子が少数個だけあれば、それを検出できる系に拡張すること、及び水分子等比較的小さな分子のNMRが実行できるようにする。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御：テラヘルツ応答の検出周波数帯域、検出感度の両面から最適なドーパント分布やチャネル形状の設計に目処を付け、単一ドーパントに基づく量子ドットを用いたTHz波検出器の開発に着手する。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：世界初となる単ドーパントデバイス用の回路シミュレーターの完成を目指す。具体的には、単一ドーパントデバイスならではの特性・物理現象を抽出し、理論化を進めると共に、シミュレーターの拡張を図っていく。

研究成果

• [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/ETSF(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/ETSF
• [雑誌論文] Continuously Frequency-Tuneable Plasmonic Structures for Terahertz Bio-sensing and Spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Xiangying Deng, Leyang Li, Mitsuhiro Enomoto, and Yukio Kawano
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 3498
  • DOI: s41598-019-39015-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] テラヘルツ帯プラズモニック構造体とフレキシブル撮像素子 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菅谷 俊夫、河野 行雄
  • 雑誌名: 次世代センサ 巻: 28 ページ: 2
• [雑誌論文] Effect of carbon on boron diffusion and clustering in silicon: Temperature dependence study (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Tu, Y. Shimizu, Y. Kunimune, Y. Shimada, T. Katayama, T. Ide, M. Inoue, F. Yano, K. Inoue, and Y. Nagai
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124 ページ: 155702
  • DOI: 10.1063/1.5048313
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] GeVn complexes for silicon-based room-temperature single-atom nanoelectronics (2018)
  • 著者名/発表者名: Simona Achilli, Nicola Manini, Giovanni Onida, Takahiro Shinada, Takashi Tanii, and Enrico Prati
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 8 ページ: 180054
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36441-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Near-Field Infrared Investigations of an Arm-Terminated Spiral Structure with Bow-tie Probe (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuya Okamoto, Toshio Sugaya, Naoki Fujimura, Kou Ishikawa, and Yukio Kawano
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 2 ページ: 105004
  • DOI: 10.1088/2399-6528/aadec3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ダイヤモンド中単一NVセンターのパルス光磁気共鳴測定のためのローエンドFPGAへのフォトンカウンタの実装 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永岡 希朗, 畑 雄貴, 川勝 一斗, 石井 邑, 福田 諒介, 寺地 徳之, 小野田 忍, 大島 武, 品田 高宏, 川原田 洋, 磯谷 順一，谷井 孝至
  • 学会等名: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] イオン注入による単一不純物欠陥の規則的配列形成とその応用 －ダイヤモンド中浅い単一NVセンターの配列形成－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷井 孝至, 品田 高宏, 寺地 徳之, 小野田 忍, 大島 武, McGuinness Liam, Jelezko Fedor, Liu Yan, Wu E, 加田 渉，花泉 修，川原田 洋，磯谷 順一
  • 学会等名: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] シャボン膜の挙動を模倣した単電子デバイスの設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉田信彦, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 学習機能を実装した単電子ニューラルネットワーク (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野正暉, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 熱雑音を利用する単電子メモリ対回路の設計と多数決論理ゲート応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 開出理砂, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 魚群に学ぶ単電子情報処理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下秀人, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Study of noise- and fluctuation-harnessing single-dopant device (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oya, and T. Shinada
  • 学会等名: 2018 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Design of neural network construction for pulse signal generating and propagating medium (2018)
  • 著者名/発表者名: W. Zheng and T. Oya
  • 学会等名: 2018 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Design of "bubble-Inspired Single-Electron circuit" Mimicking Behavior of Bubble Film (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Kurata and T. Oya
  • 学会等名: 2018 International Symposium on Nonlinear Theory & Its Applications (NOLTA 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Noise-Harnessing Nanodevices (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oya
  • 学会等名: 2018 International Symposium on Nonlinear Theory & Its Applications (NOLTA 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Controlled Creation of Erbium-Oxygen Centers in Silicon by Deterministic Ion Implantation for Room-Temperature Photoluminescence at Telecom Wavelength (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tanii, Y. Suzuki, K. Gi, M. Celebrano, L. Ghirardini, P. Biagioni, M. Finazzi, Y. Shimizu, Y. Tu, K. Inoue, Y. Nagai, E. Prati, T. Shinada
  • 学会等名: 22nd International Conference on Ion Implantation Technology
  • 国際学会
• [学会発表] シリコン中におけるエルビウム-酸素複合体の室温での光学的活性の理解 (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水 康雄、Y. Tu、アブデルガファ 愛満、鈴木 雄大、魏 啓楠、谷井 孝至、品田 高宏、Prati Enrico、Celebrano Michele、Finazzi Marco、Ghirardini Lavinia、井上 耕治、永井 康介
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 浅い単一NVセンターの規則配列を用いたナノNMRのスピンノイズ解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石井 邑、福田 諒介、Priyadharshini Balasubramanian、東又 格、永岡 希朗、河合 空1、薗田 隆弘、寺地 徳之、小野田 忍、春山 盛善、山田 圭介、稲葉 優文、山野 颯、Felix M. Stuerner、Simon Schmitt、Liam P. McGuinness、Fedor Jelezko、大島 武、品田 高宏、川原田 洋、加田 渉、花泉 修、磯谷 順一、谷井 孝至
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] パルス発生・伝搬場で表現するニューラルネットワーク (2018)
  • 著者名/発表者名: 鄭 万輝, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] シャボン膜の挙動を模倣した単電子回路設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 倉田信彦, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Lithographically Engineered Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond for External Nuclear Spin Sensing (2018)
  • 著者名/発表者名: R Fukuda, P Balasubramanian, I Higashimata, Y Ishii, K Nagaoka, S Kawai, T Sonoda, T Teraji, S Onoda, M Haruyama, K Yamada, M Inaba, H Yamano, F Stuerner, S Schmitt, L P McGuiness, F Jelezko, T Ohshima, T Shinada, H Kawarada, W Kada, O Hanaizumi, J Isoya, T Tanii
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • 国際学会
• [学会発表] Dopant Behavior in Semiconductor Materials and Nanostructures Analyzed by Atom Probe Tomography (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimizu
  • 学会等名: 第19回「イオンビームによる表面・界面解析」特別研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ナノカーボン材料並びにプラズモニック構造によるテラヘルツ帯撮像素子－マルチビュー計測と超解像計測－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野行雄
  • 学会等名: 電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会
  • 招待講演
• [学会発表] テラヘルツ物質・バイオ分析：ナノカーボン材料・プラズモニクスの応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野行雄
  • 学会等名: 第15回プラズモニック化学研究会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Atom probe study of silicon-based device structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimizu
  • 学会等名: Atom Probe Tomography and Microscopy (APT&M) 2018
  • 国際学会 / 招待講演