2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of single dopant circuit by deterministic doping and application to stochastic processing
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18H03766
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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：多元化については、量子準位形成のため所望のイオン種開発をほぼ完了した。(1)Si表面にErと同時にOをドーピングすることでPN接合部位にEr:O複合体を形成し、順方向電流注入によりエレクトロルミネッセンス特性を獲得した。加えて、３次元アトムプローブ法により、Si表面から約50nm以内に分布するEr:O複合体の分布を得た。(2)Ge量子ビットについて、第一原理計算を用いて不純物準位の電子配置を決定した。(3)ダイヤモンド中へのSi注入によるSiVセンターの形成について、決定論的ドーピング法によるSiVセンターの形成と個数制御性を確認する段階まで来ている。
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：量子ドットのサイズがテラヘルツ波の波長よりもはるかに小さいため、アンテナによる集光が重要なテーマの1つである。昨年度にテラヘルツ帯用に設計したアンテナ構造結合量子ドットを用いて、今年度テラヘルツ波の検出実験を行った。その結果、量子ドットを流れる電流の変化によりテラヘルツ応答を捉えることができた。電流変化量の周波数依存はアンテナの帯域に一致していることが分かった。
③単一ドーパント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のシミュレータ作成の試行を進めた。単一電子系をベースに、単一ドーパントデバイス上に実装する具体的な自然・生物的情報処理回路を設計し、試作中のシミュレータにてその動作確認を行った。これによりシミュレータおよび単一ドーパント系への自然・生物的情報処理実装の有用性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：通信波長帯の発光に寄与するEr:Oの複合体が着目されているが、これらの元素をイオン注入で導入後、熱処理を施した試料に３次元アトムプローブ測定を適用すると、Er:酸素の存在比が1:1で形成する複合体が支配的であると示唆された。また、各元素の注入量を変えた試料を用意し、同一試料においてEr-酸素の複合体分布とフォトルミネッセンス発光強度を直接対応させた。より定量的な議論へ発展させ、理論計算とも比較している。
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：観測されたテラヘルツ応答は、テラヘルツ照射を通じたドーパントのイオン化によると解釈できる。これはドーパントテラヘルツデバイスの重要な一歩となる成果である。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：単ドーパントデバイスをテンプレートとする自然・生物的情報処理システムの構築と、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。
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| Strategy for Future Research Activity |
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：ダイヤモンド中へのSi注入によるSiVセンターの形成と単一光子源への応用について、決定的ドーピング法によるSiVセンターの形成と個数制御性を確認できているが、単一SiVセンターからの単一光子放出には至っていない。なお，シリコン表面へのEr注入やダイヤモンド表面へのN注入（NVセンター形成）では、ドライエッチングにより形成した機能拡張のためのナノ構造に決定論的ドーピングを施しているが、ドライエッチングにより導入される結晶欠陥の影響が見られ始めており、来年度以降の新たな課題として認識している。
Er-酸素の複合体の量とフォトルミネッセンス発光強度の関連について、より定量的な解析を実施する。これによりドーパント分布－発光分布の相関を得る一連の実験体系を構築する。今後は、本課題の狙いであるシリコン及びダイヤモンド表面上に導入した他のドーパント種（Geなど）へも適用し、量子ドットとして機能する個々のドーパントを自在に配置するプロセスの開発を目指す。
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：（1）ドーパントへの集光効率向上のための更なる電界集中構造の導入、（2）テラヘルツ波検出に対するドーパント分布やチャネル形状の効果についての探求を行う。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：世界初となる単ドーパント情報処理システムデバイス用の回路シミュレータの完成を引き続き目指す。併せて単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を引き続き遂行する。
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[Presentation] Resonant Photocurrent at 1550 nm in an Erbium Low-Doped Silicon Transistor at Room Temperature2019
Author(s)
E. Prati,M. Celebrano, L. Ghirardini, M. Finazzi,G. Ferrari, T. Shinada, K. Gi, Y. Chiba, A. Abdelghafar, M. Yano, T. Tanii
Organizer
2019 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
Int'l Joint Research
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[Presentation] MOSトランジスタへのErイオン注入と1.5 μm帯光励起電流の計測2019
Author(s)
藤本宇郁, 魏啓楠, 鈴木雄大, 清水康雄, 井上耕治, 永井康介, M.Celebrano, E. Prati, L. Ghirardini, M. Finazzi, 品田高宏, 谷井孝至
Organizer
東北大学金属材料研究所付属量子エネルギー材料科学国際研究センター 2019年度大洗アルファ合同研究会
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[Presentation] Self-align fabrication of nano-reservoir with NV center in diamond surface for nuclear magnetic resonance of small molecules2019
Author(s)
Kazuto Kawakatsu, Yu Ishii, Yuki Hata, Yuta Saito, Kosuke Nakamura, Kirou Nagaoka, Takahiro Sonoda, Tetsuya, Tatsuishi, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Taisei Higuchi, Keisuke Yamada, Takeshi Oshima, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Junichi Isoya and Takashi Tanii
Organizer
32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
Int'l Joint Research
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