2007年度 伊藤研究室

構成

教授

伊藤公平

特別研究教授

植松真司

特別研究講師

関口武治

大学院

清水康雄(D2)、宮本 聡(D1)、Agung Trisetyarso(D1)、Muhammad Rizwanur Rahman(D1)、乙部恵美(M2)、志連陽平(M2)、林 宏(M2)、森下弘樹(M2)、石川豊史(M1)、板橋辰昌(M1)、河村踊子(M1)、東條眞一(M1)、長縄美樹(M1)、吉沢 慧(M1)、黄 幸江(M1)

学部

小澤 淳(B4)、土屋 豪(B4)、手塚宙之(B4)、内藤克彦(B4)、平野梨伊(B4)

概要

半導体同位体工学の推進

(1) シリコン量子情報処理にむけて

半導体産業のスタンダードであるシリコンを用いた実用的な量子コンピュータの構成を考案し、量子情報分野におけるその位置づけを計算機科学および基礎スピン物性の立場から明らかにし、その実現にむけた要素技術の開発を進めている。要素技術は、素子作製、初期化、演算、読み出し、通信に分別される。以下に本研究の構想と成果の概要をまとめる。
本構想は,我々が2002年に提案した「全シリコン量子コンピュータ(All-Silicon Quantum Computer)」に基づく。本研究では,その提案を精査しながら改良を加えた素子[K. M. Itoh, Solid State Commun. 133, 747 (2005)]の開発を目指している。ここでは核スピンを持たない28Si安定同位体基板上に核スピンを有する29Si安定同位体を一列に並べる。この列をなす29Si安定同位体の1個1個にビット情報(0または1)を格納して情報処理を行う。具体的には、29Si安定同位体は核スピン1/2を有するため、2準位系であり、核スピン上向きを0、下向きを1として情報を格納する。核スピンは量子であり、その振る舞いは古典力学ではなく量子力学に従う。よって、この素子は量子コンピュータである。この素子を量子コンピュータとして動作させるためには、1)始めにすべての核スピンを0状態にセット(初期化)し、2)量子演算(1量子ゲート演算と2量子ゲート演算)を実行し、3)終りに個々の核スピンの向きが上か下かを測定する必要がある。これらの条件を満たすために、パーマロイ磁石(NiFe)とリン不純物がそれぞれ列の両端に置かれている。素子全体に7テスラの強磁場を印加すると、パーマロイの端では飽和磁場の約2テスラが加わり9テスラの磁場が発生する。よって、29Si量子ビット列の一端(パーマロイ側)は9テスラ、その反対の端は7テスラの磁場となり、結果として29Si量子ビット列に沿った大きな磁場勾配が実現する。これにより、個々の29Si量子ビットが異なる磁場、すなわち、異なる核磁気共鳴周波数を有することになり、周波数選択による任意の量子ビットの任意の量子演算が可能になる。2002年当初の提案と比較して改良された点は、アンサンブル(統計的集団)演算を理想的な単一量子演算に拡張したことと、その場合に困難とされる初期化と読み出しをリン不純物を用いて実現するアイデアを具体化したことである。さらに最近では、量子計算結果を量子情報として離れた位置に移動させる手段(量子通信)としてシリコン中のベリリウム欠陥からの発光が単一光子源に使えるかを調べている。

2007年度の成果。Si中に意図的に添加されたPドナー不純物を用いて、その周辺に存在する29Si核スピンの偏極を増大する方法を見出した。29Si核スピンを量子ビットと考える我々の素子において、計算の初めに必要な初期化に関する重要な技術である。具体的には、磁場中においてリンに束縛された電子スピン磁気共鳴に相当するマイクロ波を照射することにより、電子スピン偏極の飽和が誘発され、結果としてその周辺に存在する29Si核スピンがある方向にそろえられる。この手法を追求することで偏極率を10%に近づければ量子コンピュータの初期化に十分なレベルに達する。また、シリコン中のリン核スピンの量子情報を電流で読みだす方法や、その結果をベリリウムを用いて光として移動させる手法の開発も開始した。

(2) ナノCMOSプロセスシミュレータの開発

加工サイズの微小化が急激に進むシリコン半導体の新しいチップ開発には、工場やR&D部門における経験と試行錯誤のみに頼るのは効率的ではない。そこで利用されるのが、目標とする回路の製造工程をコンピュータ上で開発するプロセスシミュレータと、その結果として得られる素子特性を予想するデバイスシミュレータで、最近では両者を一体化したTechnology Computer Aided Design (TCAD)の信頼性と計算速度向上が新規チップ開発の経費削減と期間短縮、すなわち半導体企業の競争力強化の切り札とされている。しかし、素子サイズがナノ領域に突入した現在、TCAD開発においてもこれまでのマイクロチップ時代の経験則が通用せず、その原因は、シミュレーションに必要なナノ領域特有(多くの場合は非熱平衡)の化学反応や拡散に関する基礎物性値・変数値がほとんどわかっていないためだと明らかになった。本研究項目では、同位体シリコンナノ構造という我々の技術を利用して次世代TCAD開発に不可欠なナノ領域特有の物性値を取得し、その結果をリアルタイムでSeleteが進めるTCAD開発に取り込むことにより、半導体開発に要する期間・費用の50%以上削減する信頼性と高速性を有するTCADのプロトタイプ作成を目指す。

(3) シリコン新機能トランジスターの開発

シリコントランジスターの微細化による発展の限界を突破するためにSiとGeを融合したエレクトロニクス材料の開発を行っている。特にキャリア移動度を上げることによる素子動作速度の高速化と、NTT物性基礎研究所との共同研究であるシリコン単電子トランジスターに着目している。

進路

松下電器産業、リコー、ソニーエリクソン、慶應大学大学院

国際会議講演

  • K. M. Itoh, “Silicon Nanoelectronics,” International Electronic Device Meeting (IEDM), December 10-12, 2007, Washigton DC, USA.(招待講演)
  • K. M. Itoh, “Silicon Spintronics,” Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium 2007, September 26-38, 2007, Osaka University, Japan.(招待講演)
  • Shimizu, A. Takano, and K. M. Itoh, “Silicon Isotope Superlattices: Ideal SIMS Standards for Shallow Junction Characterization,” The 16th International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry, October 29-November.2, 2007, Kanazawa, Ishikawa, Japan.
  • Y. Shimizu, A. Takano, M. Uematsu, and K. M. Itoh, “Simultaneous observation of the behavior of impurities and silicon atoms in Si isotope superlattices,” 24th International Conference on Defects in Semiconductors, July 22-27, 2007, Albuquerque, USA.
  • T. Itahashi, H. Hayashi, K. M. Itoh, L. S. Vlasenko, M. P. Vlasenko, D. S. Poloskin, and R. Laiho, “Dynamic and optical nuclear polarization of 29Si nuclei via the photoexcited triplet states of radiation defects in isotopically controlled silicon,” 24th International Conference on Defects in Semiconductors, July 22-27, 2007, Albuquerque, USA.
  • H. Hayashi, T. Itahashi, K. M. Itoh, L. S. Vlasenko, and M. P. Vlasenko, “Dynamic Nuclear Polarization of 29Si Nuclei in Phosphorus-Doped Isotopically Controlled Silicon,” 24th International Conference on Defects in Semiconductors, July 22-27, 2007, Albuquerque, USA.
  • O. Moutanabbir, T. Kawamura, S. Miyamoto, S. Kimura, M. Mizumaki, and K. M. Itoh, “Anomalous x-ray scattering 3D mapping of strain and composition of Ge/Si shrinking islands during the initial stage of Si overgrowth,” 5th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, May 20-25, 2007, Marseille, France.
  • O. Moutanabbir, A. Sagara, S. Miyamoto, H. Oshikawa, and K. M. Itoh, “Tuning the luminescence emission of {105}-faceted Ge QDs superlattice using proton implantation and thermal annealing,” 5th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, May 20-25, 2007, Marseille, France.
  • O. Moutanabbir, S. Miyamoto, and K. M. Itoh, “Artificial manipulation of the isotopic composition of Ge-Si epitaxial nanostructures,” 5th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, May 20-25, 2007, Marseille, France.

国内会議講演

  • 伊藤公平「More than MooreからBeyond CMOSへ」,科学研究費補助金特定領域研究シリコンナノエレクトロニクスの新展開-ポストスケーリングテクノロジー-弟2回成果報告会,秋葉原コンベンションホール,2008年3月7-8日(招待講演)
  • H. Hayashi, L. S. Vlasenko, and K. M. Itoh, “Nuclear spin diffusion in silicon determined by dynamic nuclear polarization,” 第12回「半導体スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS12),大阪大学医学部銀杏会館,2007年12月20-21日(招待講演)
  • 手塚宙之,東條眞一,伊藤公平「同位体制御シリコン中ホウ素の電子スピン共鳴(ESR)」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 植松真司,伊庭野建造,伊藤公平「Si熱酸化における酸化膜中のSi自己拡散促進のシミュレーション」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 清水康雄,高野明雄,植松真司,伊藤公平,「シリコン注入および熱処理によるシリコン同位体超格子中のシリコン増速自己拡散の直接的観測」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 河村踊子,長縄美樹,清水康雄,植松真司,伊藤公平,伊藤浩之,中村光利,石川英明,大路 譲「Si基板中のB拡散における表面シリコン酸化膜の影響」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 米元雅浩,宮本 聡,平野梨伊,澤野憲太郎,伊藤公平,白木靖寛,寒川誠二「無損傷中性粒子ビームエッチングを用いたSiGe量子ナノディスク積層構造の作製2」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 吉沢 慧,石川豊史,関口武治,伊藤公平「フォトルミネッセンスを用いたSi中のBe対による等電子トラップの構造解析」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • 関口武治,吉沢 慧,石川豊史,伊藤公平「Si中の等電子Be対トラップによる発光スペクトルにおけるSi同位体効果」,第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学
  • マクシムミロノフ,澤野憲太郎,伊藤公平,白木靖寛,“Demonstration of SiGe heterostructures with room-temperature 2DHG drift mobility and carrier density exceeding those of 2DEG,” 第68回応用物理学会学術講演会,2007年9月4日~8日,北海道工業大学

 

論文発表

  • R. Van Meter, W. J. Munro, K. Nemoto, and K. M. Itoh, “Arithmetic on a Distributed-Memory Quantum Multicomputer,” ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, 3, 17 (2008).
  • Y. Shimizu, M. Uematsu, K. M. Itoh, A. Takano, K. Sawano, and Y. Shiraki, “Quantitative Evaluation of Silicon Displacement Induced by Arsenic Implantation Using Silicon Isotope Superlattices,” Applied Physics Express, 1, 021401 (2008).
  • M. Myronov, K. Sawano, K. M. Itoh, and Y. Shiraki, “Room-Temperature Transport Properties of High Drift Mobility Two-Dimensional Electron Gas Confined in a Strained Si Quantum Well,” Appl. Phys. Express 1, 021402 (2008).
  • K. Ibano, K. M. Itoh, and M. Uematsu, “Generation of Excess Si Species at Si/SiO2 Interface and Their Diffusion into SiO2 during Si Thermal Oxidation,” J. Appl. Phys. 103, 026101 (2008).
  • A. Harada, S. Kawasaki, H. Mukuda, Y. Kitaoka, Y. Haga, E. Yamamoto, Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller, and H. Harima, “Experimental Evidence for Ferromagnetic Spin-Pairing Superconductivity Emerging in UGe2: A 73Ge-Nuclear-Quadrupole-Resonance Study under Pressure,” Physical Review B 75, 140502(R) (2007).
  • A. Harada, S. Kawasaki, H. Mukuda, Y. Kitaoka, A. Thamizhavel, Y. Okuda, R. Settai, Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller, and H. Harima, “Pressure-Induced Antiferromagnetic Superconductivity in CeNiGe3: A 73Ge-NQR Study under Pressure,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310, 614-616 (2007).
  • S. Kawasaki, T. Sada, T. Miyoshi, H. Kotegawa, H. Mukuda, Y. Kitaoka, T. C. Kobayashi, T. Fukuhara, K. Maezawa, K. M. Itoh, and E. E. Haller, “73Ge-NQR Study of Heavy-Fermion Compound CeNi2Ge2,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310, 590-592 (2007).
  • M. Uematsu, Y. Shimizu, and K. M. Itoh, “Defect Studies for the Development of Nano-Scale Silicon Diffusion Simulators,” Physica B 401-402, 511-518 (2007).
  • Y. Shimizu, A. Takano, M. Uematsu, and K. M. Itoh, “Simultaneous Observation of the Behavior of Impurities and Silicon Atoms in Silicon Isotope Superlattices,” Physica B 401-402, 597-599 (2007).
  • M. Myronov, K. Sawano, Y. Shiraki, T. Mouri, and K. M. Itoh, “Observation of two-dimensional hole gas with mobility and carrier density exceeding those of two-dimensional electron gas at room temperature in the SiGe heterostructures,” Appl. Phys. Lett. 91, 082108 (2007).
  • K. Romanyuk, J. Myslivecek, V. Cherepanov, T. Sekiguchi, S. Yoshida, K. M. Itoh, and B. Voigtlander, “Optimized Ge Nanowire Arrays on Si by Modified Surfactant Mediated Epitaxy,” Phys. Rev. B 75, 241309(R) (2007).
  • M. Myronov, Y. Shiraki, T. Mouri and K. M. Itoh, “Enhancement of Room Temperature Holes Conductivity in Narrow and Strained Ge Quantum Well by Double-Side Modulation Doping,” Appl. Phys. Lett., 90 (19), 192108 (2007).
  • M. L. W. Thewalt, A. Yang, M. Steger, D. Karaiskaj, M. Cardona, H. Riemann, N. V. Abrosimov, A. V. Gusev, A. D. Bulanov, I. D. Kovalev, A. K. Kaliteevskii, O. N. Godisov, P. Becker, H. J. Pohl, E. E. Haller, J. W. Ager III, and K. M. Itoh, “Direct Observation of the Donor Nuclear Spin in a Near-Gap Bound Exciton Transition: 31P in Highly Enriched 28Si,” J. Appl. Phys. 101, 081724 (2007).
  • O. Moutanabbir, S. Miyamoto, A. Fujimoto, and K. M. Itoh, “Isotopically Controlled Self-Assembled Ge/Si Nanostructures,” Journal of Crystal Growth 301-302, 324-329 (2007).

 

学位論文

修士論文

  • 乙部恵美:窒化膜のシリコンキャリア移動度に及ぼす影響に関する研究
  • 志連陽平:シリコン(111)7×7面におけるリンの初期吸着に関する研究
  • 林 宏:リン添加された同位体制御シリコン中29Siの動的核分極
  • 森下弘樹:シリコン中のリン不純物磁気共鳴の電気的検出

学士論文

  • 小澤 淳:Si(111)ステップ端におけるキンクの等間隔制御
  • 土屋 豪:Si/SiGeヘテロ構造の電気伝導特性のバックゲート電圧による制御
  • 手塚宙之:同位体制御シリコン中のボロンの電子スピン共鳴に関する研究
  • 内藤克彦:ベリリウムを添加したシリコンの電気・光学的評価
  • 平野梨伊:Si/SiGeナノカラムのフォトルミネッセンス

研究助成

  • 文部科学省 科学研究費補助金 特別推進研究 「コヒーレント状態と固体量子ビットに基づく量子情報処理の研究」
  • 科学技術振興調整費 「ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点」
  • 科学技術振興機構 産学共同シーズイノベーション化 「半導体ナノCMOSプロセスシミュレータの開発」

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics