2004年度 伊藤研究室

構成

助教授

伊藤公平

訪問研究員

関口武治、Oussama Moutanabbir

大学院

阿部英介(D3)、清水康雄(M2)、鶴見大輔(M2)、吉田俊治(M2)、相良暁彦(M2)、宮本 聡(M2)、毛利友隆(M2)

学部

郡司まり香(B4)、志連陽平(B4)、高橋俊岳(B4)、田渕祥之(B4)、林 宏(B4)、森下弘樹(B4)

概要

1.シリコン量子コンピュータに関する研究

シリコンを用いた量子コンピュータの構築を目指している.要素技術として,デバイス作製,初期化,量子操作(コヒーレンス制御方法と演算),読出し方法の開発が重要である.デバイス作製に関しては,核スピン制御に必要なシリコン原子鎖の作製と評価に成功し,平行して量子ビットの選択的アクセスに必要な強磁性体ストライプの開発を終了した.平成15年度にはシリコン中の29Si同位体核スピン量子ビットの位相緩和時間を25秒にまで延長できる量子操作法を開発したが,平成16年度はクロックスピードなどにも注目をした計算機学的な考察を行い,シリコン量子コンピュータの量子情報分野における位置づけを明らかにした.

素子作製技術
素子作製には2つの側面がある.ひとつは29Si核スピン量子ビットを,核スピンをもたない28Siウエハー中に配置するナノテクノロジーである.具体的には図1に示すとおり,28Siウエハー上に29Si核スピンを一列に並べる必要がある.もう一方は,量子ビット核スピンに個別にアクセスするためのマイクロマグネットの設計と開発である.図1に示すNiFe磁石が29Si原子線に沿って大きな磁場勾配を印加し,そのことによりすべての29Si量子ビットが異なる核磁気共鳴周波数をもつことになる.よって,周波数を選択することで,個々の量子ビットの操作を選択的に行えることになる.
29Si核スピン量子ビットの位置制御にむけては,世界にさきがけて3種類のすべてのシリコン安定同位体(28Si, 29Si, 30Si)の単結晶の成長に成功し, 続いて, 28Siウエハー中に29Si核スピン原子面を埋め込んだ周期構造の作製と評価に成功し,最終的に大きな目標であったSi原子線の作製に成功した.図2に作製されたシリコン原子線を示す.また,原子線のみならず,図1の構造を正確に作製するための様々なシリコン加工技術とそれに伴う原子移動(拡散)などを調べた.
マイクロマグネットは設計から開始した.特に有限要素法を用いた電磁場解析を行い,最適な形状を設計した.実際のマイクロマグネット作製は,当学科・松本佳宣助教授と,石巻専修大学・王東方助教授と共同で開発した.

29Si核スピン量子ビットを利用する必要性・利点・目的
量子ビットとして役に立つためには,量子情報を失うことなく保持できる位相緩和時間内に,できるだけ多くの量子演算を実行し,結果を読み取る必要がある.特に,演算に要する時間に対して位相緩和時間が短い場合は,いくら,その量子ビットを用いて量子コンピュータを構築しても意味がない.そこで本研究は,シリコン結晶中の29Si核スピン量子ビットの位相緩和時間測定から着手した.その結果,室温における位相緩和時間は20ミリ秒であることを核磁気共鳴法を用いて決定し,さらに核スピンの位相緩和時間を短くする主要因の核スピン同士の双極子相互作用を切るためのラジオ波パルス照射手法の開発に成功し,結果として,位相緩和時間が25秒と量子システムとして測定された世界最長のコヒーレンスを得ることに成功した. 25秒という極めて長い位相緩和時間中には,最も難しいとされる2量子ビット演算でさえ1万回以上実行可能であることを理論的に示した.我々の見積もりでは25秒は実験的限界ではなく,さらに伸ばせると考えている.すなわち,29Si核スピン量子ビットは多くの演算回数を要する量子アルゴリズムの実行に適していることがわかった.一方,29Si核スピン量子ビットでは1回の演算に要する時間が比較的長い(端的にはクロックスピードが10kHz程度と低い)こともわかった.これはGHzで動作する超伝導量子ビットより数桁遅く,結果として演算処理速度において不利なことが予想される.そこでショアの素因数分解アルゴリズムを例として計算機科学的な考察を行った結果,超伝導はクロックスピードは速いが,位相緩和時間が短すぎること.そして,全シリコン量子コンピュータはクロックスピードはやや遅いが,位相緩和時間が充分に長いことがあきらかになった.さらなる解析の結論は,超伝導はCPU,シリコン量子コンピュータはメモリーといった適材適所の役割分担を負わせることの必要性である.超伝導量子ビットがすばやく計算している途中,時間切れで情報を失わないうちにメモリーであるシリコン量子ビットに量子情報を移動するのである.メモリーといっても,量子コンピュータにおけるメモリーも,やはり量子コンピュータである必要がある.シリコン量子メモリーは,格納された量子情報を永遠に保持するために,エラー訂正という量子計算をひたすら続ける必要がある.その計算には膨大な演算回数が必要なため,シリコン量子コンピュータでしか対応できない.このような側面をスピン物性と計算機科学の両側面から解析できたことが本プロジェクトの成果といえる.

図1 全シリコン量子コンピュータの概要

 図2 量子コンピュータ用シリコン原子線

 

2.シリコン基板上の熱酸化膜中におけるシリコン及びボロンの増速拡散

シリコン熱酸化膜(SiO2)は,現在のシリコン(Si)-MOSFETの構成に不可欠なゲート絶縁材料である.また,将来を見据えた新ゲート材料(例えば,高誘電体)の開発においても,新材料とSiウエハー間の中間層として熱酸化膜は重要な位置を占める.これまでMOSFETの性能向上は微細化によって得られてきた.しかし,チャネル長が100nmに達した現在,正常動作を確保しながら,さらに小さいゲート絶縁膜やチャネル長を作製することが困難になりつつある.ゲート絶縁膜の微細化が困難な理由として,原子レベルでのシリコン熱酸化現象の理解が乏しいことがあげられる.また,ナノ領域でチャネル長の制御が困難な原因の1つとして,熱酸化膜上の多結晶Si電極に添加された高濃度ボロン(B)がゲート熱酸化膜を通過してチャネル領域に拡散してしまうことがあげられる.
以上の問題の解決に向けて,本研究では,半導体Siウエハー上に熱酸化で形成されたSiO2膜におけるSi原子とB不純物の拡散現象を,実験により定量的に解明し,数式を用いてモデル化した.SiO2中のSi自己拡散の解明は,極薄熱酸化膜の形成機構の理解に不可欠である.また,SiO2中のB拡散現象は,電極からチャネル層への不純物が拡散してしまう現象の中心的過程である.具体的には,28Si同位体熱酸化膜(28SiO2)中に添加された30Si安定同位体とBの分布を指標(マーカー)として,熱酸化膜中のSiとB拡散の温度依存性・時間依存性・酸化膜厚さ依存性を,表面窒化膜(Si3N4)が有る場合と無い場合について調べた.拡散熱処理前後の30Siマーカーの濃度分布は,二次イオン質量分析(SIMS)によって決定した.その結果,窒化膜が無い場合には,Siの自己拡散係数は酸化膜厚に依存することなく,バルク石英で求められた過去の報告値と一致した.また,窒化膜が無い場合には,熱処理雰囲気中の酸素分圧を変化させても,Si自己拡散係数は変化しなかった.一方,窒化膜が表面に有る場合のSi自己拡散は酸化膜厚に依存し,薄くなるほど拡散係数が大きくなる傾向が得られた.さらに同一の温度であっても,熱処理時間の増大に伴いSiの自己拡散係数が大きくなる傾向が観測された.窒化膜が有る場合に得られた実験結果を定量的に記述するために,SiO2/Si界面ではSiO2+Si→2SiOに基づき大量のSiO分子が発生し,それらが酸化膜中を拡散してSi自己拡散を増速するという新しいモデルを構築した.そして,実験条件に合わせた数値シミュレーションを行い,すべての実験結果を定量的かつ統一的に再現することに成功した.B拡散に対する結果も,Si自己拡散と同様の傾向が得られた.この場合もSiOによって増速されるというモデルによって,すべての実験結果が再現できることを示した.
すなわち,本研究では,Siウエハー上に形成されたSiO2中のSiとBの拡散に関する実験を行い,窒化膜が有り(非酸化状態)の場合は,SiO2/Si界面において熱平衡状態から逸脱する大量のSiO欠陥が生じ,それらがSiO2中のSiとBの拡散を大きく増速させる現象を発見した.このデータを定量的に解析することから,SiとBの拡散を定量的かつ統一的に描写するモデルの開発に成功した.本研究で発見された現象が新しい半導体ナノプロセスの開発につながり,また,構築されたモデルが,次世代Siプロセスシミュレーターの精度向上に役立つことが期待される.

学位論文

博士論文

  • 深津茂人:Enhanced Diffusion of Silicon and Boron in Thermal Oxides Formed on Si Substrates

修士論文

  • 上村真史:高分解能フォトルミネッセンスによる天然シリコン基板上に成長された28Si同位体エピ膜の歪み測定

学士論文

  • 梶 哲也:ダイアモンド構造半導体のエピタキシャル成長モンテカルロシミュレーション
  • 相良暁彦:自己組織化ゲルマニウム量子ドットのフォトルミネッセンス評価
  • 清水純平:原子間力顕微鏡のタッピングモードによるゲルマニウム量子ドットの観察
  • 土谷 大:窒化珪素保護膜のシリコン熱酸化膜中リン拡散に及ぼす影響
  • 平岡創土:量子ホール効果測定装置の構築
  • 宮本 聡:走査型プローブ顕微鏡を用いたSi基板上Ge量子トッド成長の位置制御
  • ・ 毛利友隆:電子線による薄膜成長制御システムの構築

進路

東芝、野村総合研究所、ハーバード大学大学院

国際会議講演

  • S. Yoshida, T. Sekiguchi, and K. M. Itoh, “Preparation of the atomically straight step-edge Si (111) substrates as templates for nanostructure formation,” The Materials Research Society Fall Meeting, Boston, MA, USA, November 29 – December 3, 2004.
  • T. Sekiguchi, S. Yoshida, and K. M. Itoh, “Fabrication of a Regular Array of Atomic Silicon Wires on Silicon,” The Materials Research Society Fall Meeting, Boston, MA, USA, November 29 – December 3, 2004.
  • A. Takahashi, Dong F. Wang, Y. Matsumoto, K. M. Itoh, “Development of NiFe micro magnet stripes for solid-state NMR quantum computing”, Smart Materials, Nano-, and Micro-Smart Systems, Sydney, Australia, December 12-15, 2004.
  • Dong F. Wang, T. Ono, A. Takahashi, Y. Matsumoto, K.M. Itoh, Y. Yamamoto and, M. Esashi, “Micromachining of a permalloy mesa structure for all-silicon quantum computer,” Proc. the 18th Euro. Conf. on Solid-State Transducers (Eurosensors XVIII), Roma, Italy, September, 2004.
  • K. M. Itoh, “Silicon Quantum Computer,” Plenary Talk, The 27th International Conference on the Physics of Semiconductors, Flagstaff, Arizona, USA, July 26-30, 2004.(招待講演)
  • K. M. Itoh, “Silicon Isotope Nanostructures,” The 4th International Conference on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices, July 19-23, 2004, Cancun, Mexico.(招待講演)
  • E. Abe, K. M. Itoh, and J. Isoya, “Electron spin coherence of phosphorus donors in isotopically purified 29Si single crystals,” The 3rd International Conference on Physics and Application of Spin Related Phenomena in Semiconductors, Santa Barbara, CA, USA, July 21-23, 2004.
  • M. Uematsu, H. Kageshima, Y. Takahashi, S. Fukatsu, K. M. Itoh, and K. Shiraishi, “Enhancement of Si Self-Diffusion by the Existence of B in SiO2” 2004 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ULSI DEVICES-SCIENCE AND TECHNOLOGY, National Museum of Emerging Science and Innovation, Tokyo, Japan, May 26-28, (2004).
  • S. Fukatsu, T. Takahashi, K. M. Itoh, M. Uematsu, A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, and K. Shiraishi, “The Effect of the Si/SiO2 Interface on Boron Diffusion in SiO2,” 2004 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ULSI DEVICES-SCIENCE AND TECHNOLOGY, National Museum of Emerging Science and Innovation, Tokyo, Japan, May 26-28, (2004).

国内会議講演

  • 原田淳之,川崎慎司,小手川恒,北岡良雄,芳賀芳範,山本悦嗣,大貫惇睦,伊藤公平,E. E. Haller,播磨尚朝「UGe2 : 高圧下高圧下73Ge Ge-NQR NQR測定」,日本物理学会第60回年次大会,2005年3月24-27日,東京理科大学野田キャンパス
  • 細井重孝,中嶋 薫,鈴木基史,木村健二,清水康雄,深津茂人,伊藤公平,植松真司,影島博之,白石賢二,「Siの同位体を用いた熱酸化に伴う酸化膜中へのSi放出の観測」,春季第52回応用物理学関係連合講演会,2005年3月
  • 伊藤公平「シリコン量子コンピュータ」,佐々木シンポジウム,東京大学,2004年12月22・23日(招待講演)
  • 伊藤公平「シリコン量子コンピュータ」,量子情報処理シンポジウム,一橋記念講堂,2004年12月20・21日(招待講演)
  • 星野友孝,渡辺信嗣, 小野俊彦,佐々木進,阿部英介,伊藤公平,「多重パルス列によるSiの NMR測定」,日本物理学会秋の分科会,2004年9月13日,青森大学
  • 深津茂人,伊藤公平, 植松真司, 影島博之, 高橋庸夫, 白石賢二, 「半導体へテロ構造を用いたSiO2中のSi自己拡散のSi/SiO2界面距離依存性の評価」,秋季第65回応用物理学学術講演会,2004年9月
  • 植松真司, 影島博之, 深津茂人, 伊藤公平,高橋庸夫,白石賢二, 「Si酸化膜中のSi自己拡散に対するSiNキャップ堆積法の影響」,秋季第65回応用物理学学術講演会,2004年9月
  • 伊藤公平「シリコン量子コンピュータ」,第42回茅コンファレンス「量子情報処理の物理と技術」2004年8月23-15日,宮城蔵王ロイヤルホテル(招待講演)
  • 植松真司, 影島博之, 高橋庸夫, 深津茂人, 伊藤公平,白石賢二,「Si酸化膜中におけるB拡散とSi自己拡散の相関」,応用物理学会Siテクノロジー研究会(電子情報通信学会共催),2004年6月(招待講演)

論文発表

  • G. Davies1, S. Hayama, S. Hao, J. Coutinho,S. K. Estreicher, M. Sanati, and K. M. Itoh, “Lattice Isotope Effects on the Widths of Optical Transitions in Silicon,” J. Phys.: Condens. Matter 17, S2211-2217 (2005).
  • D. F. Wang, A. Takahashi, Y. Matsumoto, K. M. Itoh, Y. Yamamoto, T. Ono, and M. Esashi, “Magnetic Mesa Structures Fabricated by Reactive Ion Etching with CO/NH3/Xe Plasma Chemistry for an All-Silicon Quantum Computer,” Nanotechnology, 16, 990-994 (2005).
  • R. Van Meter, and K. M. Itoh,“Fast quantum modular exponentiation,” Phys. Rev. A 71, 052320 (2005).
  • 深津茂人,伊藤公平,植松真司,藤原聡,影島博之,高橋庸夫,白石賢二,「SiO2中の拡散に与えるSi/SiO2界面の影響」,表面科学Vol.26,No.5,249-254(2005).
  • E. Abe, J. Isoya, and K. M. Itoh, “Electron Spin Coherence of Phosphorus Donors in Isotopically Purified 29Si,” Journal of Superconductivity 18, 157 (2005).
  • Gordon Davies, S. Hayama, Shiqiang Hao, B. Bech Nielsen, J. Coutinho, M. Sanati, S. K. Estreicher, and K. M. Itoh, “Host isotope effects on midinfrared optical transitions in silicon,” Phys. Rev. B 71, 115212 (2005).
  • A. Harada, S. Kawasaki, H. Kotegawa, Y. Kitaoka, Y. Haga, E. Yamamoto,Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller, and H. Harima, “Cooperative Phenomenon of Ferromagnetism and UnconventionalSuperconductivity in UGe2: A 73Ge-NQR Study under Pressure,” submitted to J. Phys. Soc. Japan.
  • K. M. Itoh, “An All-Silicon Linear Chain NMR Quantum Computer,” Solid State Commun. 133, 747-752 (2005).
  • H. Kotegawa, A. Harada, S. Kawasaki, Y. Kawasaki, Y. Kitaoka, Y. Haga, E. Yamamoto, Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller and H. Harima, “Evidence for Uniform Coexistence of Ferromagnetism and Unconventional Superconductivity in UGe2: A 73Ge-NQR Study under Pressure,”J. Phys. Soc. Jpn 74, 705-711 (2005).
  • A. Harada, H. Kotegawa, S. Kawasaki, Y. Kawasaki, G.-q.Zheng, Y. Kitaoka, E. Yamamoto, Y. Haga, Y. Onuki, K. Itoh, E. E. Haller, “The Microscopic Co-Existence of Superconductivity and Ferromagnetism in UGe2:73Ge-NMR/NQR Study,” Physica B, in press.
  • 伊藤公平,「スピンを使った量子計算」,日本学術振興会学術月報,Vol. 58, No. 4, 291-295 (2005).
  • 稲富裕光, 大西史倫, 田中朋弘, 篠崎直人, 渡辺匡人, 藤本明良, 伊藤公平,「静磁場を利用した73Ge融液の自己拡散係数の測定」,Thermophys Prop, Vol.25, 189-191 (2004).
  • 伊藤公平,「28Sin/30Sin同位体超格子の成長と評価」,日本結晶成長学会誌,Vol.31, No.1, 38-42 (2004).
  • T. D. Ladd, D. Maryenko, Y. Yamamoto, E. Abe, and K. M. Itoh, “Coherence Time of Decoupled Nuclear Spins in Silicon,” Phys. Rev. B 71, 014401 (2005).
  • S. Fukatsu, K. M. Itoh, M. Uematsu, H. Kageshima, Y. Takahashi, and K. Shiraishi, “The Effect of the Si/SiO2 Interface on Silicon and Boron Diffusion in Thermally Grown SiO2,”Jpn. J. Appl. Phys. 43, 7837-7842 (2004).
  • M. Uematsu, H. Kageshima, Y. Takahashi, S. Fukatsu, K. M. Itoh, and K. Shiraishi, “Correlated Diffusion of Silicon and Boron in Thermally Grown SiO2,” Appl. Phys. Lett. 85, 221-223 (2004).
  • S. Hayama, G. Davies, and K. M. Itoh, “Photoluminescence studies of implantation damage centers in 30Si, “J. Appl. Phys. 96, 1754 (2004).
  • 伊藤公平,「量子演算につながるコヒーレンス」,応用物理,73, No. 6, 782-786(2004).
  • E. Abe, K. M. Itoh, J. Isoya, and S. Yamasaki, “Electron-spin phase relaxation of phosphorus donors in nuclear-spin-enriched silicon,” Phys. Rev. B 70, 033204 (2004).
  • S. Hayama, G. Davies, J. Tan, J. Coutinho, R. Jones, and K. M. Itoh, “Lattice Isotope Effects on Optical Transitions in Silicon,” Phys. Rev. B 70, 035202 (2004).
  • A. Hirai, and K. M. Itoh, “Site Selective Growth of Ge Quantum Dots on AFM Patterned Si Substrates,” Physica E 23, 248 (2004).

その他

  • 伊藤公平「凝縮系の物理 量子ビットから固体量子コンピューターへの道のり」,パリティ, 2005年1月号, Vol.20, No.1, pp. 21~23

著書

  • 伊藤公平「量子コンピュータとスピンエレクトロニクス」、「スピンエレクトロニクス」猪俣浩一郎編・㈱CMC出版発行、第22章 2004年
  • 伊藤公平「高熱伝導度,高移動度シリコン同位体ウェーハの最新動向」、’05最新半導体プロセス技術・プレスジャーナル、31~33頁(2004)

研究助成

  • 科学技術振興事業団 戦略的創造研究「全シリコン量子コンピュータの実現」
  • 文部科学省 研究費補助金 特定領域研究(1)「スピントロニクス量子操作研究調整班」
  • 文部科学省 研究費補助金 特定領域研究(2)「核スピンおよび電子スピン量子ビットの作製と量子操作の実現」
  • 日本学術振興会 研究費補助金 基板研究(B)「次世代ゲート絶縁膜における不純物とシリコンの相互拡散」
  • 文部科学省 研究費補助金 特別研究員奨励費「ナノテンプレートSi基板上のGe量子ドット形成に関する実験及び理論的研究」
  • 旭硝子財団 第2分野特定研究助成B「超構造を有する新概念4族半導体素子の研究」

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics