Grading of silicon isotope thin films using localized hydrogen functionalities for quantum computing

本研究では、大規模量子計算に利用するシリコン同位体薄膜の高品質化と高性能化を目指し、局在水素機能を利用して効率的な歪み緩和と極限的な界面傾斜抑制を同時達成する。シリコン量子ビットにおける制御性を決めるバレー分離を、同位体薄膜の界面制御により理論スケーリング限界に引き上げることを目指す。このために、今年度は下記の2点に注力して研究を行った。1点目は、局在水素の構造学的な分析手法における拡張と検証である。クラスター欠陥による結晶内部の格子変位から生じる電子波干渉を基にして新たな傾斜角度分布の解析手法を構築した。また水素質量分析に対して分光学的手法を拡張した昇温脱離分析法を新たに考案し、水素プロセス挙動のハイスループット実験に適用した。シリコン同位体と重水素を同時援用した3次元アトムプローブ実験については、二次イオン質量分析結果においても同様にシリコン・水素同位体の質量干渉の抑制効果が観察され、両者の比較による構造スケーリングを基にした水素局在状態の面方位の精密評価、測定バックグランドの抑制、水素複合体を含む水素閾値濃度の測定が可能となった。2点目は、同位体薄膜のバレー分離計測、及び電気的雑音を評価するデバイス構造の設計、プロセス検討、測定系整備である。極低温・強磁場環境における量子ホール状態を通してバレー分離を計測した結果、同様の試料構造に実装されたシリコン量子ビットで測定される値と同等の値が得られ、同位体薄膜の性能指標として利用可能であることが分かった。並行して局所的な電気雑音測定が可能となる汎用ゲート構造を新たに設計し、良質なゲート酸化膜の堆積方法を再検討した。高感度、高速雑音測定については分布定数回路を基本として回路設計、試作を繰り返し、必要となる高周波帯での良好な共振特性が得られた。

本研究では、大規模量子計算に利用するシリコン同位体薄膜の高品質化と高性能化を目指し、局在水素機能を利用して効率的な歪み緩和と極限的な界面傾斜抑制を同時達成する。シリコン量子ビットにおける制御性を決めるバレー分離を、同位体薄膜の界面制御により理論スケーリング限界に引き上げることを目指す。このために、今年度は下記の2点に注力して研究を行った。1点目は、局在水素の構造学的な分析手法における拡張と検証である。クラスター欠陥による結晶内部の格子変位から生じる電子波干渉を基にして新たな傾斜角度分布の解析手法を構築した。また水素質量分析に対して分光学的手法を拡張した昇温脱離分析法を新たに考案し、水素プロセス挙動のハイスループット実験に適用した。シリコン同位体と重水素を同時援用した3次元アトムプローブ実験については、二次イオン質量分析結果においても同様にシリコン・水素同位体の質量干渉の抑制効果が観察され、両者の比較による構造スケーリングを基にした水素局在状態の面方位の精密評価、測定バックグランドの抑制、水素複合体を含む水素閾値濃度の測定が可能となった。2点目は、同位体薄膜のバレー分離計測、及び電気的雑音を評価するデバイス構造の設計、プロセス検討、測定系整備である。極低温・強磁場環境における量子ホール状態を通してバレー分離を計測した結果、同様の試料構造に実装されたシリコン量子ビットで測定される値と同等の値が得られ、同位体薄膜の性能指標として利用可能であることが分かった。並行して局所的な電気雑音測定が可能となる汎用ゲート構造を新たに設計し、良質なゲート酸化膜の堆積方法を再検討した。高感度、高速雑音測定については分布定数回路を基本として回路設計、試作を繰り返し、必要となる高周波帯での良好な共振特性が得られた。