炭化ケイ素中の高輝度単一発光中心のフォトン・スピン制御

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26286047
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 大島 武 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究主幹 (50354949)
• 研究分担者: 藤ノ木 享英(梅田享英) 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (10361354)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線

研究実績の概要

本研究では、放射線（電子線やイオン）照射や熱処理条件を工夫し、安定な発光を有する単一発光中心を高効率に生成する技術の確立、単一発光中心の生成条件とスピンコヒーレンス時間（T1やT2）の関係を明らかにし、より長いT1、T2を得るための生成条件を明らかにする、更にはダイオードやトランジスタに埋め込んだ単一発光中心の発光やスピン状態を外部からの電圧印加といった手法を用いて電気的に制御することを目指し、高純度半絶縁性（HPSI）、n型及びp型4H-SiC基板に2MeV電子線照射及び600～1650Cといった高温熱処理を行い、残留する欠陥の発光を共焦点顕微鏡により調べた。
その結果、電子線照射のみの場合は、単一発光中心が形成されるものの発光の安定性は悪く、ブリンキングが生ずることが判明した。ブリンキングは熱処理を行うことで減少することから、熱処理の最適化により、安定な発光中心が形成できることが示唆される。さらに、高温安定な単一発光中心に関しては、1650C熱処理後も安定な単一発光中心が形成可能であることが明らかとなった。
また、放射線種の効果を調べる目的で、3MeV陽子線照射により欠陥導入した試料の作製も試みた。
加えて、n型及びp型エピタキシャルSiC基板上に800Cでのリンイオンまたはアルミニウムイオン注入及び1650C以上での熱処理を行い、pnダイオードを作製し、電流注入による発光を共焦点顕微鏡（CFM）で調べた。その結果、単一発光中心が生成されていることが判明した。

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

電子線照射とその後の熱処理と単一発光中心の生成の関係に関する研究を着実に推進している。
また、特に1650Cといった高温熱処理後にも単一発光中心が消滅せずに生成されていることを見出した成果は、デバイス作製過程で高温熱処理が不可欠なSiCへ単一発光中心の埋め込みが可能であることを示唆する成果であり、単一発光中心を含有するSiCデバイス作製の研究へと発展が可能となった。この成果は、ダイオードやトランジスタに埋め込んだ単一発光源の発光やスピンの制御を外部からの電圧制御といった手法を用いて電気的に制御するという本研究課題の目標達成に向けた重要な成果であることから、順調に研究が進んでいると判断できる。

今後の研究の推進方策

H27年度は、高温熱処理により得られた単一発光中心に関しては、ブリンキングのない安定な発光特性の達成に向けた作成条件の最適化を進めるために、放射線種や基板種類、後処理を変えた4H-SiC試料に対するCFM、引き続き低温フォトルミネッセンス（LTPL）測定、電子スピン共鳴（ESR）測定を行う。H26年度の研究結果より、非輻射再結合中心の有無が単一発光中心が光るかどうかや、発光の安定性を左右している可能性が分かったので、非輻射再結合中心を評価するESRを加えて、発光（CFM、LTPL）との相関をさらに調べていく。非輻射再結合中心を除去するためのアニール後処理や水素アニールによる欠陥終端の条件出しをH27年度に進める。
さらに単一発光中心のスピンを操作するためのパルスESR測定や光検出磁気共鳴（ODMR）測定を開始したい。以上のCFM、LTPL、ESR、ODMR測定を組み合わせることで、安定な発光特性を有する単一発光中心の生成技術を完成させていく。
加えて、デバイス中に形成された単一発光中心においては、上記評価手法を用いて、その物性評価を進めるとともに、起源を同定するために、より単一発光中心を観察しやすい構造のデバイス構造を設計し、デバイスを製作する。

次年度使用額が生じた理由

欠陥形成のための電子線照射に関して、H26年度に小型電子線容器を購入したが、研究を効率的に推進するため、照射治具及び水冷版は初期実験の結果を基に最適なものを購入することとしたため。

次年度使用額の使用計画

炭化ケイ素に欠陥導入するための電子線照射治具及び水冷版を購入する予定。

研究成果

• [雑誌論文] Isolated Electron Spins in Silicon Carbide with Millisecond Coherence Times (2015)
  • 著者名/発表者名: David J. Christle, Abram L. Falk, Paolo Andrich, Paul V. Klimov, Jawad Ul Hassan, Nguyen T. Son, Erik Janzen, Takeshi Ohshima and David D. Awschalom
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 14 ページ: 160, 163
  • DOI: 10.1038/NMAT4144
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coherent Control of Single Spins in Silicon Carbide at Room Temperature (2015)
  • 著者名/発表者名: MatthiasWidmann, Sang-Yun Lee, Torsten Rendler, Nguyen Tien Son, Helmut Fedder, Seoyoung Paik, Li-Ping Yang, Nan Zhao, Sen Yang, Ian Booker, Andrej Denisenko, Mohammad Jamali, S. Ali Momenzadeh, Ilja Gerhardt, Takeshi Ohshima, Adam Gali, Erik Janzen and Jorg Wrachtrup
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 14 ページ: 165, 168
  • DOI: 10.1038/NMAT4145
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Optically Active Defects in Silicon Carbide (2014)
  • 著者名/発表者名: B. C. Johnson, Alex Lohrmann, H. Bowers, J. C. McCallum and Takeshi Ohshima
  • 学会等名: Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2014)
  • 発表場所: The University of Western Australia (Perth, Australia)
  • 年月日: 2014-12-14 – 2014-12-17
• [学会発表] SiC中の単一発光源となる欠陥の探索 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大島 武，小野田忍，牧野高紘，岩本直也，B. C. Johnson，A. Lohrmann，T. Karle，J. C. McCallum，S. Castelletto，梅田享英，佐藤嘉洋，朱煜偉，V. Ivády，A. Gali，春山盛善，加田渉，花泉修
  • 学会等名: 2014年 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [備考] SiC中の炭素アンチサイト-炭素空孔センターの発光特性評価【新単一発光源の探索】
  • URL: http://www.taka.jaea.go.jp/eimr_div/RadEffects/Defect_eng_j.html