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

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能级，掺杂到半导体中的磷供体和过渡金属等杂质原子可以用作量子位，这对于量子计算和量子通信至关重要。为了创建操纵多个量子位的量子器件，必须将所需数量的量子位放置在纳米尺度的特定位置，开发一种可精确控制的单离子注入技术至关重要。在本研究中，我们通过分析 α 射线入射到宽禁带半导体 Ta 的氮化镓 (GaN) 时产生的感应瞬态电流，研究了可以进行单离子撞击检测的条件。在n型GaN外延膜上形成垂直肖特基势垒二极管，并在施加反向偏压的情况下检测到241Amα射线（5.486MeV）入射时感应的瞬态电流。使用电荷敏感前置放大器（CSP）和光谱放大器（SA）将感应瞬态电流处理为电压信号，并使用示波器输出波形。结果，电压信号随着反向偏置电压的增加而增加，证实可以用制造的二极管检测到单个离子。此外，对获得的信号输出的分析表明，可以检测低于 100 keV 的离子注入，这是用于量子比特形成的能量范围。接下来，除了使用微针孔开发简单的微束之外，我们还分析了氧化铝纳米毛细管的形状。对于前者，在束流线上安装了直径为1μmφ、纵横比为50的微针孔，为简单的微束形成实验做好了准备。对于后者，我们使用电子显微镜观察了多孔氧化铝的孔形状，并选择了可用作高纵横比纳米毛细管的位置。结果发现，直径为100nm以下的多孔材料经常具有形状缺陷。

项目成果

Consiglio Nazionale delle Ricerche(イタリア)

Consiglio Nazionale delle Ricerche（意大利）

量子ビームを用いた半導体中の機能性欠陥の研究

利用量子束研究半导体功能缺陷

• 发表时间: 2022
• 作者: 羽島良一;全炳俊;大垣英明;佐藤 真一郎
• 通讯作者: 佐藤 真一郎

Lanthanoid Implanted GaN with Enhanced Photon Emission for Nanophotonic Applications

用于纳米光子应用的具有增强光子发射功能的镧系元素植入 GaN

• 发表时间: 2022
• 作者: Shin-ichiro Sato;Takao Oto;Shuo Li;Manato Deki;Tomoaki Nishimura;Takeshi Ohshima;Hirotaka Watanabe;Shugo Nitta;Yoshio Honda;Hiroshi Amano;Brant C. Gibson;Andrew D. Greentree
• 通讯作者: Andrew D. Greentree

Room Temperature Photoluminescence of Lanthanoid Implanted GaN after Ultra High Pressure Annealing

超高压退火后镧系元素注入 GaN 的室温光致发光

• 发表时间: 2022
• 作者: Shin Ito;Shin-ichiro Sato;Michal Bockowski; Manato Deki; Naoto Hagura
• 通讯作者: Naoto Hagura

都市大タンデムの現状（2022年度）

城市大学联合现状（2022）

• 发表时间: 2023
• 作者: 羽倉 尚人; 渡部 創; 佐藤 真一郎
• 通讯作者: 佐藤 真一郎