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2020 年度 実績報告書

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

研究課題

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  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, NIMS特別研究員 (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:決定論的ドーピング法を用いて、(1)SOI-MOSFETのチャネル領域にGeイオン注入を行い、GeVn(ゲルマニウム-原子空孔)欠陥の1次元配列を形成した。第一原理計算によって、GeVnの不純物準位を介した低温での量子的電子輸送特性を解明した。(2)SiナノピラーにEr:O共注入を行い、ErO複合欠陥を形成した。Erを注入したナノスケールpnダイオードの電流-電圧特性とエレクトロルミネッセンス特性との関係を明らかにした。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御:ドーパントへのテラヘルツ集光効率向上のための更なる光電界集中構造の検討 を、シミュレーションと実験の両面から行った。誘電率を適切に設定することで、光電界サイズの局限化に成功した。また、テラヘルツ波検出に対するドーパント分布の効果について考察を行い、ドーパント同士の距離を制御することで、 検出帯域をチューニングできる可能性を示した。
③単一ドーパント量子物性制御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単一ドーパント情報処理デバイス向けシミュレータの作成を進めた。単一ドーパントデバイスに発現する現象・動作を表現できるシミュレータの開発を進めると同時に、同デバイスに実装する具体的な自然・生物的情報処理回路の設計、及び試作中のシミュレータにてその動作確認を進め、それらの有用性を確認した。

現在までの達成度 (区分)
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:上記の通り、(1)SOI-MOSFETのチャネル領域へのGeイオン注入によるGeVn(ゲルマニウム-原子空孔)欠陥の1次元配列形成に関しては順調に進展している。(2)SiナノピラーへのEr:O共注入によるErO複合欠陥形成と近赤外発光については、発光強度を増強させるためにナノ加工(例えば共鳴する寸法をもつSOI基板上のナノピラー構造形成)を施すと、Erからのものではない背景光が重畳することが問題となっていた。コロナによる入構禁止期間の影響もあり、この原因を実験的に突き止めるのに時間を要したが、上記のように、ドライエッチングが原因であることまで突き止められた。一方、ドライエッチングにより、どのような背景光源が導入されてしまっているかについては調査を進めている。
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:センシングの領域がテラヘルツ波の波長よりもはるかに小さいため、光電界集中構造の最適化は重要な課題である。今年度見出した構造はこの課題解決に資するため、大きな知見となる。また、ドーパント分布がテラヘルツ検出の性能に関わ ることは制御性の点で重要な情報である。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装:単一ドーパントデバイスをテンプレートとするリザーバコンピューティング系情報処理システム(ニューラルネットワーク系)や雑音利用系システムの構築と、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:(1)SOI-MOSFETのチャネル領域へのGeイオン注入によるGeVn(ゲルマニウム-原子空孔)欠陥の1次元配列形成については、代表者(品田)と分担者(河野・谷井)との間での共同研究(GeVn欠陥配列からのテラヘルツ発光計測)に発展させる。(2)SiナノピラーへのEr:O共注入によるErO複合欠陥形成と近赤外発光については、ウェットエッチングでナノピラー構造を作製することで、Er由来の発光に重畳する1.5um帯の背景光を除去できるかを実験的に調査すると同時に、ドライエッチングにより、どのような背景光源が導入されるかについては突き止める。
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:昨年度までに得られた知見を元に、ドーパント量子デバイスのテラヘルツ応答の 観測を行い検出性能を評価する。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装:引き続き、世界初となる単一ドーパント情報処理システム用の回路シミュレータの完成を目指す。また、単一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も併せて遂行する。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Universita degli Studi di Milano/Consiglio Nazionale delle Ricerche/Politecnico di Milano(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Universita degli Studi di Milano/Consiglio Nazionale delle Ricerche/Politecnico di Milano
  • [国際共同研究] University of Surrey(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Surrey
  • [雑誌論文] Series Photothermoelectric Coupling Between Two Composite Materials for a Freely Attachable Broadband Imaging Sheet2021

    • 著者名/発表者名
      Li Kou, Suzuki Daichi, Kawano Yukio
    • 雑誌名

      Advanced Photonics Research

      巻: 2 ページ: 2000095~2000095

    • DOI

      10.1002/adpr.202000095

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Terahertz Video Camera Patch Sheet with an Adjustable Design based on Self‐Aligned, 2D, Suspended Sensor Array Patterning2021

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Daichi, Li Kou, Ishibashi Koji, Kawano Yukio
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 31 ページ: 2008931~2008931

    • DOI

      10.1002/adfm.202008931

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Frequency-Tunable Terahertz Plasmonic Structure Based on the Solid Immersed Method for Sensing2021

    • 著者名/発表者名
      Sugaya Toshio, Kawano Yukio
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 21 ページ: 1419~1419

    • DOI

      10.3390/s21041419

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Position‐Controlled Functionalization of Vacancies in Silicon by Single‐Ion Implanted Germanium Atoms2021

    • 著者名/発表者名
      Achilli Simona, Le Nguyen H., Fratesi Guido, Manini Nicola, Onida Giovanni, Turchetti Marco, Ferrari Giorgio, Shinada Takahiro, Tanii Takashi, Prati Enrico
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: - ページ: 2011175~2011175

    • DOI

      10.1002/adfm.202011175

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design of a single-electron neural network circuit controlling weights for reservoir computing2021

    • 著者名/発表者名
      Ueno Masaki, Oya Takahide
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: SCCE02~SCCE02

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abe7fe

  • [雑誌論文] 共鳴周波数可変型プラズモニックテラヘルツ集光デバイスによる生体分光画像観察2020

    • 著者名/発表者名
      河野 行雄
    • 雑誌名

      光学

      巻: 49 ページ: 501-507

  • [学会発表] ナノピラー構造を組み込んだ Er:O 共添加 Si ダイオードの電気伝導特性およびエレクトロルミネッセンス計測2021

    • 著者名/発表者名
      古瀬 遼、藤本 宇郁、魏 啓楠、アブデルガファ 愛満、矢野 真麻、千葉 悠貴、Enrico Prati、Michele Celebrano、佐藤 真一郎、品田 高宏、谷井 孝至
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 流体の拡散を表現する単電子回路の定量的評価と改善2021

    • 著者名/発表者名
      角野 友裕, 大矢 剛嗣
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 巡回セールスマン問題を解く単電子粘菌回路の改良検討2021

    • 著者名/発表者名
      松岡 拓哉, 大矢 剛嗣
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] オオカミの群れの挙動に学ぶ情報処理の単電子回路実装 検討2021

    • 著者名/発表者名
      小川 陸, 大矢剛嗣
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 一筆書きの定理をモデルとした単電子情報処理回路の設計2021

    • 著者名/発表者名
      塚田聖司, 大矢剛嗣
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Electroluminescence of Er:O-doped nano pn diode in silicon-on-insulator and its current-voltage characteristics at room temperature2020

    • 著者名/発表者名
      T. Fujimoto, K. Gi, S. Bigoni, M. Celebrano, M. Finazzi, G. Ferrari, T. Shinada, E. Prati, T. Tanii
    • 学会等名
      2020 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetrical, simple pair circuit on single-dopant device with thermal-noise-harnessing ability and its application to a full adder circuit2020

    • 著者名/発表者名
      R. Kaide, T. Shinada, T. Oya
    • 学会等名
      20th International Conference on Nanotechnology (IEEE NANO)
    • 国際学会
  • [学会発表] Subwavelength biological spectroscopy and imaging with frequency-tunable terahertz plasmonic structures2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawano
    • 学会等名
      SPIE International Symposium on Optics and Photonics
    • 国際学会
  • [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
      レーザ・量子エレクトロニクス研究会 8月研究会「受光素子,変調 器,光部品・電子デバイス実装・信頼性,及び一般」
  • [学会発表] Design of Weight Function Controllable Single-Electron Neural Network Circuit for Reservoir Computing2020

    • 著者名/発表者名
      M. Ueno, T. Oya
    • 学会等名
      33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of Single-Electron Information-Processing Circuit Modeled on Behavior of Fish Shoals2020

    • 著者名/発表者名
      H. Yamashita, T. Oya
    • 学会等名
      33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] 単電子デバイスによるダイクストラ法の表現2020

    • 著者名/発表者名
      上野正暉, 大矢剛嗣
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 素子ばらつきを考慮した熱雑音を利用する単電子メモリ対回路の全加算器応用2020

    • 著者名/発表者名
      開出理砂, 大矢剛
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 魚群の挙動をモデルとした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
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 単電子回路による流体モデル表現2020

    • 著者名/発表者名
      角野友裕, 大矢剛嗣
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 巡回セールスマン問題を解く単電子粘菌回路の検討2020

    • 著者名/発表者名
      松岡拓哉, 大矢剛嗣
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] フレキシブル広帯域光センサアレイと生体センシン グ応用2020

    • 著者名/発表者名
      河野 行雄
    • 学会等名
      日本金属学会2020年秋期大会シンポジウム「医用材料・医療機器開発 の最前線(Ⅱ)~光を用いる生体情報イメージング~」
    • 招待講演
  • [学会発表] Single Ion Implanted Silicon Devices Towards FewPhotons Emission Regime For Space Quantum Communications2020

    • 著者名/発表者名
      E. Prati, T. Shinada, T. Tanii
    • 学会等名
      OSA Quantum 2.0 Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 走査型近接場光顕微鏡を用いた光電界ベクトル分布のナノスケー ル直接観測とその応用2020

    • 著者名/発表者名
      河野 行雄
    • 学会等名
      日本光学会年次大会シンポジウム「光波シンセシスと ナノオプティクス」

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公開日: 2021-12-27  

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