光を高度に操った炭化ケイ素半導体中スピン欠陥の量子状態制御

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00355
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 大島 武 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, センター長 (50354949)
• 研究分担者: 黒木 伸一郎 広島大学, ナノデバイス研究所, 教授 (70400281) ; 波多野 睦子 東京工業大学, 工学院, 教授 (00417007)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 結晶工学 / スピン欠陥 / 光物性 / 量子センシング

研究実績の概要

炭化ケイ素（SiC）中のシリコン空孔（Vsi）に着目し、粒子線描画技術（MeV級エネルギーのイオンをマクロメートル径に集束）を用いて任意位置・深さにVsiを形成し、光検出磁気共鳴（ODMR）を用いた温度計測及び磁場計測を行った。
2022年度はSiC/Si貼り合わせ構造作製プロセス、貼り合わせ試料などへの粒子線描画（PBW）によるVsi導入を継続して実施した。Si側にフォトダイオード構造を形成した貼り合わせ基板中の任意位置に形成したVsiに対して、室温での共焦点蛍光顕微鏡観察及びODMR測定を行たところ、ODMRシグナルが観測され、貼り合わせ基板においてもVsiによる量子センシングが可能であることを見出した。
ODMRの高感度化に関しては、2021年度に発見した基底状態と励起状態でODMRを発生させる高周波を同時に印加することで、本来は温度依存性を持たない基底状態のODMRで温度依存性を計測する手法（SRODMR）を発見したが、2022年度は温度と磁場の同時に計測するスピン操作プロトコルの開発を行った。SiCデバイス中にPBWによって局所的に形成したVsiに対して、3つのパルスジェネレータを用いて、電子スピンの共鳴状態を制御することで、一連の測定で基底（磁場計測）及び励起（温度計測）準位の両方の共鳴の情報を取得可能な系を構築した。SiCダイオード中にPBWを用いることで任意位置にVsiを形成し、形成したVsiを用いてダイオードに流れる順方向電流が誘起する磁場計測及び外部磁場印加によるダイオード中の磁場を温度計測と同時に行った。その結果、開発した手法により磁場と温度の同時計測を行うことで、従来法に比べ1/5程度の測定時間で計測が可能となることを見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wurzburg/University of Stuttgart(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Wurzburg/University of Stuttgart
• [国際共同研究] University of Melbourne/RMIT University/Adelaide University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: University of Melbourne/RMIT University/Adelaide University
• [国際共同研究] Linkoping University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Linkoping University
• [国際共同研究] University of Chicago/Stanford University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Chicago/Stanford University
• [雑誌論文] Optically detected magnetic resonance of silicon vacancies in 4H-SiC at elevated temperatures toward magnetic sensing under harsh environments (2023)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shu、Sato Shin-ichiro、Saiki Seiichi、Masuyama Yuta、Yamazaki Yuichi、Ohshima Takeshi、Murata Koichi、Tsuchida Hidekazu、Hijikata Yasuto
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 133 ページ: 154402～154402
  • DOI: 10.1063/5.0139801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-Emitter Multimode Cavity Quantum Electrodynamics in Thin-Film Silicon Carbide Photonics (2023)
  • 著者名/発表者名: Lukin Daniil M.、Guidry Melissa A.、Yang Joshua、Ghezellou Misagh、Deb Mishra Sattwik、Abe Hiroshi、Ohshima Takeshi、Ul-Hassan Jawad、Vuckovic Jelena
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 13 ページ: 011005-1～17
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrical detection of nuclear spins via silicon vacancies in silicon carbide at room temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa Tetsuri、Morioka Naoya、Abe Hiroshi、Morishita Hiroki、Ohshima Takeshi、Mizuochi Norikazu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 121 ページ: 184005～184005
  • DOI: 10.1063/5.0115928
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modified divacancies in 4H-SiC (2022)
  • 著者名/発表者名: Son N. T.、Shafizadeh D.、Ohshima T.、Ivanov I. G.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 132 ページ: 025703～025703
  • DOI: 10.1063/5.0099017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Growth of vanadium doped semi-insulating 4H-SiC epilayer with ultrahigh-resistivity (2022)
  • 著者名/発表者名: Kojima Kazutoshi、Sato Shin-ichiro、Ohshima Takeshi、Kuroki Shin-Ichiro
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 131 ページ: 245107～245107
  • DOI: 10.1063/5.0095457
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-Optical Dynamics and Quantum Efficiency of a Single V1 Center in Silicon Carbide (2022)
  • 著者名/発表者名: Morioka Naoya、Liu Di、Soykal Oney O.、Gediz Izel、Babin Charles、Stohr Rainer、Ohshima Takeshi、Son Nguyen Tien、Ul-Hassan Jawad、Kaiser Florian、Wrachtrup Jorg
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 17 ページ: 054005-1～15
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.054005
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 炭化ケイ素中の量子欠陥形成と量子特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大島武
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Creation of spin defects in silicon carbide and their applications for quantum sensing (2023)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Ohshima
  • 学会等名: International Workshop of Spin/Quantum Materials and Devices (IWSQMD)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体中スピン欠陥を活用した量子センシング (2023)
  • 著者名/発表者名: 大島武
  • 学会等名: 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議特別シンポジウム「ナノテクで加速する量子未来社会」
  • 招待講演
• [学会発表] SiC中のVSiによる同時共鳴法を用いた磁場・温度同時計測手法の最適化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中友晃，山崎雄一，児島一聡，大島武
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第9回講演会
• [学会発表] 基底・励起準位同時共鳴ODMRを用いたシリコン空孔量子センサ高感度温度計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山﨑雄一, 増山雄太, 児島一聡, 大島武
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第9回講演会
• [学会発表] Creation of Spin Defects in Silicon Carbide by Particle Irradiation for Quantum Applications (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Ohshima
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Advanced Science and Technology of Silicon Materials (JSPS Si Symposium)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 炭化ケイ素（SiC）の量子技術応用の可能性－スピン欠陥形成と量子センシング応用－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 大島武
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 高エネルギー電子線照射による4H-SiC中シリコン空孔の高濃度形成および磁気センシング感度評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 元木秀，佐藤真一郎, 佐伯誠一, 村田晃一, 増山雄太, 山﨑雄一, 土方泰斗, 大島武
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Temperature sensitivity improvement of SiC-VSi-based quantum sensor by simultaneous-resonated optically detected magnetic resonance (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki, Y. Masuyama, K. Kojima, T. Ohshima
  • 学会等名: 9th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Creation on Silicon Vacancy in Silicon Carbide and its Application for Quantum Sensing (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, Y. Yamazaki, T. Tanaka
  • 学会等名: The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin Defects in Silicon Carbide and their Applications for Quantum Technology (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Ohshima
  • 学会等名: 2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic Sensitivity of Silicon Vacancies in 4H-SiC at Different Temperatures (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Motoki, S.-I. Sato, Y. Masuyama, Y. Yamazaki, S. Saiki, Y. Hijikata, T. Ohshima
  • 学会等名: Conference on Defects in Solids for Quantum Technologies
  • 国際学会
• [備考] 量子科学技術研究開発機構 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター 量子センシングプロジェクト
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/semiconductor-e/