Control of Photons and Spins of High-Brightness Single Photon Center in Silicon Carbide

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26286047
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線

Outline of Annual Research Achievements

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。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Wurzburg/University of Stuttgart(Germany)
  • Country Name: Germany
  • Counterpart Institution: University of Wurzburg/University of Stuttgart
• [Int'l Joint Research] University of Melbourne/RMIT University(Australia)
  • Country Name: Australia
  • Counterpart Institution: University of Melbourne/RMIT University
• [Int'l Joint Research] Linkoping University(Sweden)
  • Country Name: Sweden
  • Counterpart Institution: Linkoping University
• [Int'l Joint Research] University of Chicago/Stanford University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Chicago/Stanford University
• [Journal Article] Locking of Electron Spin Coherence above 20 ms in Natural Silicon Carbide (2017)
  • Author(s): D. Simin, H. Kraus, A. Sperlich, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 95 Pages: 161201R
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.161201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Scalable Quantum Photonics with Single Color Centers in Silicon Carbide (2017)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 17 Pages: 1782-1786
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Proton Beam Writing (2017)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Mater. Sci. Forum Volume: 897 Pages: 233-237
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.897.233
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Three-Dimensional Proton Beam Writing of Optically Active Coherent Vacancy Spins in Silicon Carbide (2017)
  • Author(s): H. Kraus, D. Simin, C. Kasper, Y. Suda, S. Kawabata, W. Kada, T. Honda, Y. Hijikata, T. Ohshima, V. Dyakonov, G. V. Astakhov
  • Journal Title: Nano Letters Volume: - Pages: -
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05395
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Vector Magnetometry Using Silicon Vacancies in 4H-SiC Under Ambient Conditions (2016)
  • Author(s): M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Stenberg, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • Journal Title: Phys. Rev. Appl. Volume: 6 Pages: 034001
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.6.034001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 4H-SiC MOSFETチャネルの単一光子源の偏光角度依存性 (2017)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] SiC pinダイオード中の発光中心の観察 (2017)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Creation of Single Photon Sources in Wide Bandgap Semiconductors by Ion Irradiation (2016)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第26回 日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館 他、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2016-12-19 – 2016-12-22
  • Invited
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 大島 武
  • Organizer: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • Place of Presentation: タワーホール船堀、東京都江戸川区
  • Year and Date: 2016-11-14 – 2016-11-16
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第3回講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-11-08 – 2016-11-09
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第3回講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-11-08 – 2016-11-09
• [Presentation] Creation of Single Photon Emitters in Silicon Carbide using Particle Beam Irradiation (2016)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 20th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM2016)
  • Place of Presentation: Wellington, New Zealand
  • Year and Date: 2016-10-30 – 2016-11-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Creation and Functionalization of Defects in SiC by Irradiation and Thermal Treatment (2016)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Excitation Properties of the Divacancy in 4H and 3C SiC (2016)
  • Author(s): I. G. Ivanov, N. T. Son, T. Ohshima, E. Janzen
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coherence Properties of the Silicon Vacancy in SiC: from Ensemble to Single Defects (2016)
  • Author(s): D.Simin, H. Kraus, A. Sperlich, M. Trupke, T. Ohshima, G. V. Astakhov, V. Dyakonov
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vector Magnetic Field Sensing using Defect Spins in 4H-SiC (2016)
  • Author(s): M. Niethammer, M. Widmann, S.-Y. Lee, P. Neumann, P. Stenberg, H. Pedersen, O. Kordina, T. Ohshima, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge State Switching of Single Silicon Vacancies in SiC (2016)
  • Author(s): M. Widmann, M. Niethammer, S.-Y. Lee, I. Booker, T. Ohshima, A. Gali, N. T. Son, E. Janzen, J. Wrachtrup
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 本多 智也、小野田 忍、土方 泰斗、大島 武
  • Organizer: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Remarks] 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