【研究領域課題番号】20H00237 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / シリコン / ゲルマニウム / 量子情報 / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

本研究の目的は、量子構造中の正孔スピンダイナミクスの物理を解明し、その制御原理を示すことである。特に、スピンと軌道の自由度、及び相互作用の制御がその要素となる。スピンと軌道の間に働く相互作用は、結晶や構造の局所的な性質に依存するため、ナノ寸法の量子構造で重要となる。本研究で新たに開発するゲルマニウム量子ドット系と我々がこれまで開発してきたシリコン量子ドット系とを比較することで、普遍的な物理を解き明かすことを目指す。このために、独自に有するダイナミクス測定法を用いて、量子構造中のスピン軌道相互作用を電気的に制御し定量評価する計画である。
本年度の研究実施計画は、下記の通りであり、順調に進展させることができた。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を行う。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、本年度は昨年度の結果に基づき、デバイス構造や界面の改良を行う。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。本年度は極低温下での磁場依存性評価を実施する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を昨年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
本年度は、上記について、順調に推進することができた。特に、4.2 KでのRF反射測定の実証、3量子ビット実験、高速ユニバーサル量子ゲートの実証など、当初の計画以上の成果を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】16F16806 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ / 正孔

【研究成果の概要】

本研究の目的は、スピン状態を高速に読み出す技術を開発し、シリコン量子ドット中のスピンコヒーレンスの物理を解明することにある。本研究により、スピン軌道相互作用の大きさを定量的に評価し、さらに電場や磁場に対するスピン軌道相互作用の大きさやスピン緩和時間の依存性を得ることを目指している。
具体的には、MOS構造を利用したpチャネルの量子ドットを作製し、高速読み出しに使用する単正孔トランジスタを量子ドットの近傍に配置する。またスピンを高速に読み出すためのRF反射法を利用した測定系を構築し、既存のnチャネル量子ドットと対比させながら、新たに作製したpチャネル量子ドットにおけるスピンコヒーレンスに関わる物理を明らかにしていく。
本年度は、研究実施計画に沿い、作製した素子の評価を進めると同時に、測定系の構築を進め、RF反射法による測定を開始した。
２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定や、単正孔トランジスタによる電荷センシング測定に成功した。２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定では、スピンブロッケード現象を観測した。スピンブロッケード状態でわずかに流れるリーク電流の磁場依存性から、スピン軌道相互作用によってスピン緩和が起きていることを示唆する振る舞いが得られた。また、そのリーク電流の磁場依存性が、上部電極の電圧によって変調されることを観測した。電界によってスピン軌道相互作用を制御できている可能性がある。今後、スピン緩和時間やデコヒーレンス要因について調べることを目指し、RF反射法を用いた測定データの取得を行うことができた。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2016-11-07 - 2019-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】26709023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子デバイス / スピンデバイス / 量子情報 / 量子ドット / スピン / シリコン / 正孔 / 電荷センサ

【研究成果の概要】

本研究の目的は、新構造のシリコン量子ドットを開発し、スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことにあった。将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指すものであった。物理としては、シリコン量子ドット構造に特有のスピン緩和要因、バレーやスピンの関与する電子輸送特性を明らかにした。技術としては、Si基板やSi/SiGeヘテロ基板を利用した独自の量子ドット構造を作製した。また、Si基板から作製したMOS型新構造量子ドットやSiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットに適したスピン操作技術や検出法を開発した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,440千円 (直接経費: 18,800千円、間接経費: 5,640千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】20360095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 二酸化炭素排出削減 / 熱工学 / 反応工学 / 非平衡プラズマ / プラズマ加工 / ナノシリコン / ナノ材料 / シリコン / フォトルミネッセンス / 半導体量子ドット / マイクロプラズマ / カーボンナノチューブ / LED / 太陽電池

【研究成果の概要】

従来法にない量産性と材料設計の高い自由度を兼ね備えた方法としてインフライトプラズマCVDを開発し,SiC量子ドットを大量合成することに成功した。反応時間によってナノ結晶のサイズを3-12nmで制御できること,さらに結晶サイズによってフォトルミネッセンスを900nmから650nmへ制御できることを実証した。カーボンナノチューブをマトリックスとして用い,量子ドットを分散させた薄膜を作成したが,量子ドットの酸化に起因してエレクトロルミネッセンス及び薄膜の良好な電気伝導性を得ることができなかった。シリコン系の量子ドットを発光デバイス等へ発展させるためには,完全に空気(水蒸気)が遮断された環境で量子ドットを取り扱う必要性があること,そのために必要なデバイス設計指針を明示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13450135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / シリコンMOSFET / 量子効果 / クーロンブロッケード / 単電子トランジスタ / 量子ドット / 共鳴トンネル / ナノテクノロジー / 不揮発性メモリ / しきい値電圧 / 保持時間 / シリコン / MOSFET / 移動度 / 量子輸送現象 / 揺らぎ

【研究成果の概要】

本研究の目的は、サイズ揺らぎを極力抑制したナノスケールMOSFETの物理現象の解明し、その物理現象の集積回路デバイスに積極的に応用することである。電子ビーム露光装置とエッチング技術により、10nm以下の極めて微細なナノデバイスを制御性良く作製する技術を確立した。この技術で作製したデバイスでは、室温のおいて明瞭に量子効果と単電子効果が現れる。量子効果は、電子の基底準位の上昇によるしきい値電圧の上昇という形で現れる。10nm以下にチャネルを狭窄化した狭チャネルMOSトランジスタでは,チャネル幅が狭いほどしきい値電圧が上昇する。この効果を利用して,ナノサイズのMOSトランジスタのしきい値電圧を制御する方法を提案した。また、計算の結果、チャネル幅10nm以下の狭チャネルMOSトランジスタにおいては、電子および正孔の移動度が上昇し、デバイス特性が向上することを明らかにした。一方、単電子効果はクーロンブロッケード振動として現れる。ソース・ドレイン間にシリコンドットが自然形成され、デバイスは単電子トランジスタとして振る舞う。単電子トランジスタでは、クーロンブロッケード振動により、ドレイン電流がゲート電圧の関数で振動する。振動の山谷比は室温において40以上、ドット系は約2nmである。この振動はシリコン系の単一ドット系単電子トランジスタとしては、世界最大である。また、シリコンドット中の量子効果により共鳴トンネルに起因する負性微分コンダクタンスも室温において観測された。これらの物理現象を利用して、単体の単電子トランジスタを用いて室温で2入力の論理動作を行うこと世界で初めて成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】14,800千円 (直接経費: 14,800千円)