Nanoscale deterministic single ion implantation for semiconductor qubit formation

用于半导体量子位形成的纳米级确定性单离子注入

• 批准号: 22H03880
• 负责人: 佐藤 真一郎
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: National Institutes for Quantum Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H03880/
• 关键词: イオン注入; 量子ビーム科学; 量子ビット; 欠陥エンジニアリング; 照射欠陥; イオン注入; 量子ビーム科学; 量子ビット; 欠陥エンジニアリング; 照射欠陥

半導体中にドープしたP ドナーや遷移金属といった不純物原子は、その電子準位を高度に制御することによって、量子計算や量子通信に不可欠な量子ビットとして用いることができる。複数の量子ビットを操る量子デバイスを作製するためには、ナノメートルスケールの特定の位置に量子ビットを必要な数だけ配置しなければならないが、そのためには、ナノメートル精度で位置や数を高度に制御する単一イオン注入技術の開発が不可欠である。本研究では、ワイドギャップ半導体のひとつである窒化ガリウム(GaN)に対し、α 線が入射した際に発生する誘起過渡電流を解析することで、単一イオンヒット検出が可能な条件の検討をおこなった。n型GaNエピ膜に縦型ショットキーバリアダイオードを形成し、逆バイアス電圧を印加した状態で、241Am のα線(5.486 MeV)が入射した際の誘起過渡電流を検出した。誘起過渡電流はCharge Sensitive Preamplifier (CSP)およびSpectroscopic Amplifier (SA)を用いて電圧信号へと処理し、オシロスコープによって波形の出力をおこなった。その結果、逆バイアス電圧の上昇に伴い電圧信号が増加しており、作製したダイオードで単一イオンが検出できることを確認した。また、得られた信号出力の解析から、量子ビット形成に用いられるエネルギー範囲である100keV以下のイオン注入の検出が可能であることを明らかにした。次に、マイクロピンホールをつかった簡易マイクロビームの開発に加え、アルミナナノキャピラリの形状解析を行った。前者に関しては、直径1μmφ、アスペクト比50のマイクロピンホールをビームラインに設置し、簡易マイクロビーム形成実験に向けた準備を進めた。後者に関しては、多孔質アルミナの穴形状を電子顕微鏡を用いて観察し、高アスペクト比のナノキャピラリとして使用可能な箇所の選定を行った。その結果、100nmφ以下の多孔質では形状不良が多いことがわかった。

通过高度控制其电子水平，可以将杂质原子（如P供体和掺杂在半导体中的过渡金属）用作量子计算和量子通信所必需的量子。为了制造操纵多个Qubit的量子设备，必须将所需数量的量子位放置在纳米尺度上的特定位置，但是为此，必须开发单个离子植入技术，以高度控制纳米计精度，高度控制位置和数量。在这项研究中，我们通过分析α射线入射在氮化碳（GAN）上（宽间隙半导体之一）时，研究了检测单个离子命中的条件。在N型GAN EPI膜上形成了垂直的Schottky屏障二极管，并在施加反向偏置电压的同时，在241AMα射线（5.486 MeV）中检测到诱导的瞬态电流。使用电荷敏感前置放大器（CSP）和光谱放大器（SA）（SA）将诱导的瞬态电流处理为电压信号，并且示波器输出了波形。结果，电压信号随反向偏置电压的上升而增加，并证实可以用准备好的二极管检测到单个离子。此外，对所获得的信号输出的分析表明，可以使用100 keV的离子植入或以下（用于量子形成的能量范围）。接下来，除了使用微孔孔开发简单的微束外，我们还对氧化铝纳米毛细血管进行了形状分析。关于前者，直径为1μmφ，纵横比为50的微孔孔安装在梁线上，并进行了用于简单的微波形实验的准备工作。关于后者，使用电子显微镜观察了多孔氧化铝的孔形状，并且可以选择具有高纵横比的纳米毛细血管的位置。结果，发现多孔材料的形状有许多100nmφ或更少的缺陷。