シリコントランジスタのゲート制御による電子正孔系の形成と量子凝縮現象の発現

硅晶体管栅极控制电子空穴系统的形成及量子凝聚现象的表现

• 批准号: 20H02203
• 负责人: 堀 匡寛
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Shizuoka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02203/
• 关键词: 電子正孔系; シリコン; MOSFET; ゲート制御; 凝縮現象; 再結合; 励起子; ゲートパルス

半導体中で電子と正孔が共存する電子正孔共存系は，励起子，プラズマ，量子凝縮相などの多様な相を形成し，これまで基礎多体系物理の観点から広く調べられてきた．本研究課題では，量子凝縮相をエレクトロニクスに応用することを念頭に，シリコンにおいて量子凝縮相を観測し，これを電気的に制御することを最終目標としている．これまでに低温下でのシリコントランジスタのゲートパルス制御により，シリコン/シリコン酸化膜界面近傍において電子正孔共存系が形成されていることを確認した．具体的には，負の電圧をゲートに印加して正孔を界面に蓄積させておき(セット)，その後，ゲート電圧を短時間で正方向に切り替えることで(オン)，界面に蓄積した正孔の基板方向への流出を防ぎつつ，ソース/ドレインから電子を流入させて電子正孔共存系を形成する．本年度は，電子正孔再結合電流の精密計測により，電子と正孔の2層がシリコンの励起子ボーア半径程度(数ナノメートル)の距離で近接していることを明らかにした．具体的には，ゲートパルスのベース，および，振幅電圧をパラメータとして再結合電流を計測し，ゲートと正孔間，および，ゲートと電子間の容量をそれぞれ見積もり，容量値から電子正孔2層間の距離を算出した．また，再結合電流の温度の依存性についても調べ，共存系形成の限界温度が20ケルビン程度であることを示した．さらに，再結合電流のベース電圧依存性で観測された再結合電流の付加成分について解析したところ，シリコン/シリコン酸化膜界面の欠陥準位を介した再結合電流であることが明らかとなった．これにより，電子正孔共存系形成後の再結合成分と界面欠陥準位を介した再結合成分の2成分を区別することが可能となった．上記に加えて，量子凝縮相形成のために低温MOS界面評価にも着手した．具体的には，低温下の界面欠陥準位評価や，界面欠陥の高感度検出の手法開発を行った．

电子和空穴共存系统，即电子和空穴在半导体中共存，形成激子、等离子体和量子凝聚相等各种相，并且从基础多体物理的角度得到了广泛的研究。在这个研究项目中，最终目标是观察硅中的量子凝聚相并对其进行电控制，并考虑到量子凝聚相在电子学中的应用。到目前为止，我们已经证实，通过低温下对硅晶体管的栅极脉冲控制，在硅/氧化硅膜界面附近形成了电子-空穴共存体系。具体来说，通过向栅极施加负电压，使空穴在界面处积累（set），然后快速将栅极电压切换到正方向（on），在防止空穴积累的同时去除界面处积累的正空穴。电子从流向衬底开始，从源极/漏极流入，形成电子-空穴共存系统。今年，通过精确测量电子-空穴复合电流，我们发现电子和空穴两层彼此靠近，距离约为硅激子的玻尔半径（几纳米）。具体来说，我们使用栅极脉冲的基极电压和幅度电压作为参数来测量复合电流，估计栅极和空穴之间以及栅极和电子之间的电容，并估计两个电子空穴层之间的电容：计算出电容值。我们还研究了复合电流的温度依赖性，结果表明形成共存系统的临界温度约为 20 开尔文。此外，对在复合电流的基极电压依赖性中观察到的复合电流的附加分量的分析表明，复合电流是由硅/氧化硅膜界面处的缺陷能级介导的。这使得区分两种成分成为可能：电子-空穴共存系统形成后的复合成分和通过界面缺陷能级的复合成分。除此之外，我们还开始评估用于量子凝聚相形成的低温MOS接口。具体来说，我们开发了一种评估低温界面缺陷水平和高灵敏度界面缺陷检测的方法。

项目成果

シリコンMOSトランジスタにおける電子スピン共鳴下のチャージポンピング（再講演）

硅 MOS 晶体管中电子自旋共振下的电荷泵（重复演示）

• 发表时间: 2020
• 作者: 堀 匡寛;小野 行徳
• 通讯作者: 小野 行徳

MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (4) -欠陥構造緩和-

通过MOS界面的单缺陷电荷泵浦，可以直接观察两性能级的电子俘获过程(4) -缺陷结构弛豫-

• 发表时间: 2022
• 作者: 土屋敏章;堀匡寛;小野行徳
• 通讯作者: 小野行徳

超伝導磁束量子ビットによる神経細胞の磁化測定

使用超导通量量子位测量神经细胞的磁化强度

• 发表时间: 2023
• 作者: 樋田啓;酒井洸児;手島哲彦;堀匡寛;角柳孝輔;Imran Mahboob;小野行徳;齊藤志郎
• 通讯作者: 齊藤志郎

Charge pumping under electron spin resonance in Si MOSFETs

Si MOSFET 电子自旋共振下的电荷泵

• 发表时间: 2022
• 作者: N. Takahashi;W. Fang;R. Xue;S. Katsumi;Y. Oiso;T. Amemiya;N. Nishiyama;M. Hori
• 通讯作者: M. Hori

Magnetometry of neurons using a superconducting qubit

使用超导量子位对神经元进行磁力测量

• DOI: 10.1038/s42005-023-01133-z
• 发表时间: 2023
• 期刊: Communications Physics
• 影响因子: 5.5
• 作者: Hiraku Toida;Koji Sakai;Tetsuhiko F. Teshima;Masahiro Hori;Kosuke Kakuyanagi;Imran Mahboob;Yukinori Ono & Shiro Saito
• 通讯作者: Yukinori Ono & Shiro Saito