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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26286047
• 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 先端機能材料研究部, 上席研究員 (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、放射線照射と熱処理を駆使することで、室温においても安定な発光を有する単一光子源（SPS）を高効率に生成する技術の確立、ダイオードやトランジスタに埋め込んだSPSの特性を外部からの電圧印加や電流注入といった手法を用いて電気的に制御すること等を目指し、電子線やイオン照射、高温熱処理、及びデバイス作製プロセスにおいて高純度半絶縁性（HPSI）、n型及びp型4H-SiC基板やSiCデバイス内部に生成される単一発光中心の探索や物性測定を行った。その結果、電子線や陽子線照射により、後処理なしでSiC中の室温動作SPSであるシリコン空孔（Vsi）が形成できること、更には、プロトンビーム描画技術を活用することで任意の位置、深さにVsiを形成できることを見出した。デバイス中のSPS研究では、プレーナー型のpin構造を有するダイオードをSiCエピタキシャル膜上に形成し、i層内にデバイス作製プロセスで生成されるSPSを調べた。その結果、600～750nmの範囲に発光波長を有するSPSが形成されていることを明らかにした。発光スペクトルを解析することで、このSPSは昨年度までに発見した構造未同定な表面SPSであると結論できた。加えて、SiC金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）においては、昨年にチャネル領域で発見したSPSについて生成方法や起源について調査を行った。その結果、カーボン面ウェット酸化時にこのSPSが多く出現すること、発生密度は1e17 /cm2程度であること、SPSが酸化膜とSiC界面のSiC側に発生していること、550～750nmの広範囲に約7本のフォトルミネッセンスピークを有し、ピークの相対強度もSPS毎に変化すること、得られたSPSは発光波長が約0.3eVの広範囲でシフトすることが判明した。

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

28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(Germany)
  • 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(Australia)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: University of Melbourne/RMIT University
• [国際共同研究] Linkoping University(Sweden)
  • 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] Locking of Electron Spin Coherence above 20 ms in Natural Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Simin, H. Kraus, A. Sperlich, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 161201R
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.161201
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Scalable Quantum Photonics with Single Color Centers in Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Radulaski, M. Widmann, M. Niethammer, J. L. Zhang, S.-Y. Lee, T. Rendler, K. G. Lagoudakis, N. T. Son, E. Janzeen, T. Ohshima, J. Wrachtrup, J. Vuckovic
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 17 ページ: 1782-1786
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05102
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Proton Beam Writing (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, M. Haruyama, T. Kamiya, T. Satoh, Y. Hijikata, W. Kada, O. Hanaizumi, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • 雑誌名: Mater. Sci. Forum 巻: 897 ページ: 233-237
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.897.233
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Three-Dimensional Proton Beam Writing of Optically Active Coherent Vacancy Spins in Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kraus, D. Simin, C. Kasper, Y. Suda, S. Kawabata, W. Kada, T. Honda, Y. Hijikata, T. Ohshima, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: - ページ: -
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05395
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vector Magnetometry Using Silicon Vacancies in 4H-SiC Under Ambient Conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Stenberg, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 6 ページ: 034001
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.6.034001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETチャネルの単一光子源の偏光角度依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、岡本光央、小野田忍、大島武、春山盛善、加田渉、花泉修、小杉亮治、原田信介、梅田享英
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] SiC pinダイオード中の発光中心の観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常見 大貴、本多 智也、牧野 高紘、小野田 忍、佐藤 真一郎、土方 泰斗、大島 武
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] Creation of Single Photon Sources in Wide Bandgap Semiconductors by Ion Irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson3, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 第26回 日本MRS年次大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館 他、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2016-12-19 – 2016-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代高機能デバイスを目指し原子のスピンと光を操る (2016)
  • 著者名/発表者名: 大島 武
  • 学会等名: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京都江戸川区
  • 年月日: 2016-11-14 – 2016-11-16
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETにおける単一発光欠陥の酸化膜界面依存性の共焦点顕微鏡評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、岡本光央、小杉亮治、原田信介、波多野睦子、岩崎孝之、小野田忍、春山盛善、加田渉、花泉修、大島武、梅田享英
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第3回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2016-11-08 – 2016-11-09
• [学会発表] プロトンビームライティングによるSiC中へのシリコン空孔の形成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本多 智也、Kraus Hannes、加田 渉、小野田 忍、春山 盛善、佐藤 隆博、江夏 昌志、神谷 富裕、川端 駿介、三浦 健太、花泉 修、土方 泰斗、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3回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2016-11-08 – 2016-11-09
• [学会発表] Creation of Single Photon Emitters in Silicon Carbide using Particle Beam Irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 20th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM2016)
  • 発表場所: Wellington, New Zealand
  • 年月日: 2016-10-30 – 2016-11-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Irradiation and Thermal Treatment (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohshima, T. Honda, S. Onoda, T. Makino, Y. Hijikata, A. Lohrmann, J. R. Klein, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, B. C. Gibson, H. Kraus, V. Dyakonov, G. Astakhov
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Excitation Properties of the Divacancy in 4H and 3C SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: I. G. Ivanov, N. T. Son, T. Ohshima, E. Janzen
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] Coherence Properties of the Silicon Vacancy in SiC: from Ensemble to Single Defects (2016)
  • 著者名/発表者名: D.Simin, H. Kraus, A. Sperlich, M. Trupke, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] Vector Magnetic Field Sensing using Defect Spins in 4H-SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Neumann, P. Stenberg, H. Pedersen, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] Charge State Switching of Single Silicon Vacancies in SiC (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Widmann, M. Niethammer, S.-Y. Lee, I. Booker, T. Ohshima, A. Gali, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • 学会等名: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] 4H-SiC MOSFETにおける単一発光欠陥の界面酸化プロセス依存性の共焦点顕微鏡評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部裕太、梅田享英、岡本光央、小杉亮治、原田信介、波多野睦子、岩崎孝之、小野田忍、大島武、春山盛善、加田渉、花泉修
  • 学会等名: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] 3C-SiC中の表面に形成される単一発光源の発光特性と表面処理の関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本多 智也、小野田 忍、土方 泰斗、大島 武
  • 学会等名: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [備考] プロジェクト「半導体照射効果研究」
  • URL: http://www.taka.qst.go.jp/eimr_div/RadEffects/index_j.html