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2011 年度 実績報告書

単一原子ドーピング法による単一原子デバイスの創製

研究課題

研究課題/領域番号 22681020
研究機関早稲田大学

研究代表者

品田 賢宏  早稲田大学, 高等研究所, 准教授 (30329099)

キーワード単一原子デバイス / 単一ドーパントデバイス / 単一原子ドーピング法 / ドーピング / イオン注入 / 集束イオンビーム / シリコンデバイス / 量子デバイス
研究概要

本研究では、(たまたま存在する1個ではなく)真に1個のドーパント原子が制御され、動作の基本となる単一ドーパント原子デバイスを創製することを目的としている。ドーパントゆらぎに解決の道筋を与え、次世代デバイス設計指針を与える他、量子コンピューターをはじめとする革新的デバイスの基盤となる基幹技術を確立する。平成23年度の成果は次の通りである。
(1)単一ドーパント原子デバイスの試作と量子輸送現象の観測
2個のリンドナーをチャネル中央に有するデバイスを試作し、量子輸送現象への影響を調査した。4.2K~20Kの温度領域において、しきい値電圧以下において局所的な電流ピークが観察された。これは、電子が孤立ドナー準位を介してクーロンブロッケードに基づく単電子トンネリングによる伝導現象を示している。また、電流ピークの数は注入したイオン個数と一致しており、単一イオン注入法の個数・位置制御性の高さも合わせて示している。従来、統計的な観測と解釈に止まっていたが、試作した全てのデバイスにおいて、量子輸送現象を確認し、単一ドーパントデバイスの実現可能性を高めた。
(2)ダイヤモンドへの低エネルギーイオン注入による発光センターの生成
室温で光学的にアクセス可能な量子ビットとして有望視されているダイヤモンド中のSi-Vacancy(Si-V)センターをダイヤモンド表面に規則配列を試みた。カソードルミネッセンス測定によって、Siイオン注入に起因する発光センター738nmが室温下で明瞭に観測され、活性化アニールによってSi-V構造が生成する収率が改善することを確認した。発光強度とイオン注入量濃度に強い相関もみられ、単一Si-Vを生成する準備が整った。

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

単一ドーパントを有するトランジスタを試作し、試作した全ての資料から4.2K~20Kの温度領域において量子輸送現象を観測できた他、高純度ダイヤモンド表面へのドーピングをはじめて試み、量子ビットとして有望視されているSi-Vacancy(Si-V)に起因する発光センターの観測に成功したため。

今後の研究の推進方策

(1)単一ドーパント原子デバイスの試作と量子輸送現象の観測より高い温度領域での単一ドーパントに由来する量子輸送現象の観測を目指す。これには単一イオンの入射位置精度を高める他、より質量の重いイオン種を選定する。また、活性化アニール中の拡散を極力抑制することが課題である。(2)ダイヤモンドへの低エネルギーイオン注入による発光センターの生成ダイヤモンド基板自体の発光が邪魔をして、低濃度で明確な発光ピークを見ることが出来なかったことが課題としてあげられる。今後、不純物発光センターが少ない高純度基板中に単一発光センターを作製し、収率を高めると共に、単一発光センターの単一光子による発光の観測が挑戦的課題である。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (12件)

  • [雑誌論文] Enhancing Single-Ion Detection Efficiency by Applying Substrate Bias Voltage for Deterministic Single-Ion Doping2011

    • 著者名/発表者名
      M.Hori, T.Shinada, et al
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 4 ページ: "046501-1"-"046501-2"

    • DOI

      10.1143/APEX.4.046501

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum transport in deterministically implanted single-donors in Si FETs2011

    • 著者名/発表者名
      T.Shinada, et al
    • 雑誌名

      Tech.Dig.of International Electron Devices Meeting (IEDM)

      ページ: 697-700

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deterministicドープシリコンデバイスと量子輸送現象2011

    • 著者名/発表者名
      品田賢宏, 他
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: ED2011-142/SDM2011-159 ページ: 1-5

  • [学会発表] ヒ素イオン注入による注入イオンのストラグリング抑制効果の評価2012

    • 著者名/発表者名
      熊谷国憲, 品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] 単一イオン注入法を用いたヒ素(As)イオンの位置と個数を制御したトランジスタの低温伝導特性評価2012

    • 著者名/発表者名
      堀匡寛, 品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] ダイヤモンドへの低エネルギーイオン注入による発光センターの作製2012

    • 著者名/発表者名
      小松原彰, 品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] Deterministicドープシリコンデバイスと量子輸送現象2012

    • 著者名/発表者名
      品田賢宏, 他
    • 学会等名
      電子情報通信学会電子デバイス・シリコン材料デバイス合同研究会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道)(招待講演)
    • 年月日
      2012-02-07
  • [学会発表] Quantum transport in deterministically implanted single-donors in Si FETs2011

    • 著者名/発表者名
      T.Shinada, et al
    • 学会等名
      International Electron Devices Meeting (IEDM)
    • 発表場所
      Washington DC(米国)
    • 年月日
      2011-12-07
  • [学会発表] Impact of a few Dopant Positions Controlled by Deterministic Single-Ion Doping on Transconductance of FETs2011

    • 著者名/発表者名
      M.Hori, T.Shinada, et al
    • 学会等名
      TECHCON2011
    • 発表場所
      Austin(米国)
    • 年月日
      2011-09-12
  • [学会発表] 単一イオン注入法による位置と個数を制御したデバイスの低温伝導特性評価2011

    • 著者名/発表者名
      堀匡寛, 品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形)
    • 年月日
      2011-09-01
  • [学会発表] 砒素イオン注入によるドーパント位置制御効果2011

    • 著者名/発表者名
      小松原彰, 品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形)
    • 年月日
      2011-09-01
  • [学会発表] 単一イオン注入プロセス:1nm精度への挑戦2011

    • 著者名/発表者名
      品田賢宏, 他
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形)
    • 年月日
      2011-08-29
  • [学会発表] Control of Dopant Distribution by Single-Ion Implantation and its Impact on Transconductance of FETs2011

    • 著者名/発表者名
      T.Shinada, et al
    • 学会等名
      2011 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2011)
    • 発表場所
      Daejeon(韓国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-06-24
  • [学会発表] Quantum transport in a deterministically implanted phosphorous array in a Silicon nanostructure2011

    • 著者名/発表者名
      E.Prati, T.Shinada, et al
    • 学会等名
      2011 Silicon Nanoelectronics Workshop
    • 発表場所
      リーガロイヤルホテル(京都府)
    • 年月日
      2011-06-13
  • [学会発表] Impact of a few Dopant Positions Controlled by Single-Ion Implantation on Transconductance of FETs2011

    • 著者名/発表者名
      M.Hori, T.Shinada, et al
    • 学会等名
      International Workshop on Junction Technology (IWJT 2011)
    • 発表場所
      京都大学(京都府)
    • 年月日
      2011-06-10

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公開日: 2013-06-26  

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