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

2019 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) ; 清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963) ; 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718) ; 河野 行雄 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90334250)
• 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：多元化については、量子準位形成のため所望のイオン種開発をほぼ完了した。(1)Si表面にErと同時にOをドーピングすることでPN接合部位にEr:O複合体を形成し、順方向電流注入によりエレクトロルミネッセンス特性を獲得した。加えて、３次元アトムプローブ法により、Si表面から約50nm以内に分布するEr:O複合体の分布を得た。(2)Ge量子ビットについて、第一原理計算を用いて不純物準位の電子配置を決定した。(3)ダイヤモンド中へのSi注入によるSiVセンターの形成について、決定論的ドーピング法によるSiVセンターの形成と個数制御性を確認する段階まで来ている。
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：量子ドットのサイズがテラヘルツ波の波長よりもはるかに小さいため、アンテナによる集光が重要なテーマの1つである。昨年度にテラヘルツ帯用に設計したアンテナ構造結合量子ドットを用いて、今年度テラヘルツ波の検出実験を行った。その結果、量子ドットを流れる電流の変化によりテラヘルツ応答を捉えることができた。電流変化量の周波数依存はアンテナの帯域に一致していることが分かった。
③単一ドーパントデバイスの回路実装：単一ドーパント情報処理デバイス用のシミュレータ作成の試行を進めた。単一電子系をベースに、単一ドーパントデバイス上に実装する具体的な自然・生物的情報処理回路を設計し、試作中のシミュレータにてその動作確認を行った。これによりシミュレータおよび単一ドーパント系への自然・生物的情報処理実装の有用性を確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：通信波長帯の発光に寄与するEr:Oの複合体が着目されているが、これらの元素をイオン注入で導入後、熱処理を施した試料に３次元アトムプローブ測定を適用すると、Er:酸素の存在比が1:1で形成する複合体が支配的であると示唆された。また、各元素の注入量を変えた試料を用意し、同一試料においてEr-酸素の複合体分布とフォトルミネッセンス発光強度を直接対応させた。より定量的な議論へ発展させ、理論計算とも比較している。
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：観測されたテラヘルツ応答は、テラヘルツ照射を通じたドーパントのイオン化によると解釈できる。これはドーパントテラヘルツデバイスの重要な一歩となる成果である。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：単ドーパントデバイスをテンプレートとする自然・生物的情報処理システムの構築と、その挙動を確認するシミュレータの構築が順調に進んでいる。

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：ダイヤモンド中へのSi注入によるSiVセンターの形成と単一光子源への応用について、決定的ドーピング法によるSiVセンターの形成と個数制御性を確認できているが、単一SiVセンターからの単一光子放出には至っていない。なお，シリコン表面へのEr注入やダイヤモンド表面へのN注入（NVセンター形成）では、ドライエッチングにより形成した機能拡張のためのナノ構造に決定論的ドーピングを施しているが、ドライエッチングにより導入される結晶欠陥の影響が見られ始めており、来年度以降の新たな課題として認識している。
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する。今後は、本課題の狙いであるシリコン及びダイヤモンド表面上に導入した他のドーパント種（Geなど）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。
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：（1）ドーパントへの集光効率向上のための更なる電界集中構造の導入、（2）テラヘルツ波検出に対するドーパント分布やチャネル形状の効果についての探求を行う。
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情報処理システムデバイス用の回路シミュレータの完成を引き続き目指す。併せて単ドーパントデバイス用自然・生物的情報処理システムの構築を引き続き遂行する。

研究成果

• [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/Polytechnic University of Milan(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)/Polytechnic University of Milan
• [雑誌論文] Feasibility and advantage of reservoir computing on single-electron devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Oya Takahide
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 040602～040602
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab79fc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of 'bubble-inspired single-electron circuit' mimicking behavior of bubble film (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kurata and T. Oya
  • 雑誌名: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE 巻: 10 ページ: 399-413
  • DOI: 10.1587/nolta.10.399
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz detection with an antenna-coupled highly-doped silicon quantum dot (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuya Okamoto, Naoki Fujimura, Luca Crespi, Tetsuo Kodera, and Yukio Kawano
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 18574-1-6
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54130-0
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 高分解能ナノ NMR に向けたダイヤモンドへの NV センターと微小容器の一括形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤悠太、石井邑、川勝一斗、永岡希朗、畑雄貴、中村洸介、榎田尊昭、徐海州、薗田隆弘、立石哲也、金久京太郎、寺地徳之、小野田忍、樋口泰成、山田圭介、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: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 単電子リザーバコンピューティングへの結合強度制御回路の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上野正暉, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 熱雑音を活用する単電子メモリ対回路を用いた多ビット全加算器応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 開出理砂, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67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回路の設計 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山下秀人, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 単電子デバイスによるインド式計算の表現 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小川 稜, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 単電子デバイスによる乱流解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 角野友裕, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 単電子粘菌の巡回セールスマン問題への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松岡拓哉, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] フレキシブル・ウェアラブル広帯域光・テラヘルツカメラと分析検査応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河野行雄
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Opportunities of deterministic doping technology for quantum and stochastic processing (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shinada, Takashi Tanii, Takahide Oya, Yasuo Shimizu, Koji Inoue, Yukio Kawano and Enrico Prati
  • 学会等名: 235th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Resonant Photocurrent at 1550 nm in an Erbium Low-Doped Silicon Transistor at Room Temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: E. Prati,M. Celebrano, L. Ghirardini, M. Finazzi,G. Ferrari, T. Shinada, K. Gi, Y. Chiba, A. Abdelghafar, M. Yano, T. Tanii
  • 学会等名: 2019 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] esign of multi-layer single-electron circuit mimicking behavior of bubble film for solving Steiner tree problem (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kurata, T. Oya
  • 学会等名: 45th International Conference on Micro & Nano Engineering (MNE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 生物に学ぶ新しい情報処理デバイス (2019)
  • 著者名/発表者名: 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] シャボン膜の挙動を模倣した単電子情報処理回路の設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉田信彦, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単電子回路へのリザーバコンピューティングの実装検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野正暉, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 熱雑音を利用する単電子メモリ対回路を用いた全加算器の多段化検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 開出理砂, 大矢剛嗣
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] MOSトランジスタへのErイオン注入と1.5 μm帯光励起電流の計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤本宇郁, 魏啓楠, 鈴木雄大, 清水康雄, 井上耕治, 永井康介, M.Celebrano, E. Prati, L. Ghirardini, M. Finazzi, 品田高宏, 谷井孝至
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所付属量子エネルギー材料科学国際研究センター 2019年度大洗アルファ合同研究会
• [学会発表] Single atom silicon devices for quantum technologies: from nanoelectronics to optics (2019)
  • 著者名/発表者名: Enrico Prati, Takahiro Shinada and Takashi Tanii
  • 学会等名: Single Photon Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Self-align fabrication of nano-reservoir with NV center in diamond surface for nuclear magnetic resonance of small molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Kawakatsu, Yu Ishii, Yuki Hata, Yuta Saito, Kosuke Nakamura, Kirou Nagaoka, Takahiro Sonoda, Tetsuya, Tatsuishi, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Taisei Higuchi, Keisuke Yamada, Takeshi Oshima, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Junichi Isoya and Takashi Tanii
  • 学会等名: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 2次元フレキシブル広帯域光検出センサー (2019)
  • 著者名/発表者名: 河野行雄
  • 学会等名: 日本金属学会研究会「光を用いた生体情報イメージング」
  • 招待講演
• [学会発表] 赤外近接場光を使った表面光ベクトル場のナノスケール計測- 格子振動共鳴も利用して (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡本拓也、河野行雄
  • 学会等名: 日本光学会 ナノオプティクス研究グループ 第26回研究討論会
  • 招待講演