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Development of quantum sensing technique by using single photon sources embedded in 4H-SiC MOSFET

利用嵌入 4H-SiC MOSFET 中的单光子源开发量子传感技术

基本信息

批准号：
20J15088
负责人：
阿部裕太
金额：
$ 1.02万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

炭化ケイ素（4H-SiC）中の単一光子源（SPS）をもちいて量子センシングを実現するために、界面SPSと呼ばれるMOS界面に発生するSPSを光学的に評価してきたが、界面SPSはMOSFETのゲート電圧に依存して発光強度を変化させるものの依然起源がわからず電子スピンの有無も判明しなかった。そこで、バルクではスピン制御も実証されているSPSとして知られるシリコン空孔（VSi）を、陽子線照射によってMOS界面に作り出すことで界面SPSと同様の系で量子センシング実現を目指した。通常、VSiの電子スピン検出には光検出磁気共鳴（ODMR）という、電子スピン共鳴（ESR）をVSiの発光強度の変化を用いて検出する手法が用いられているが、本研究ではデバイス中にVSiが発生している利点を生かすべく、電流検出磁気共鳴（EDMR）という手法での検出を試みた。VSiのESR信号は2種類あり、それらは空孔ができる格子点位置（hサイト/kサイト）の違いによって分けられている。このうちkサイトのVSiのESR信号をTV2aセンターと呼び、VSiを用いた先行研究ではTV2aセンターを対象にODMRを用いて研究が行われていた。しかし、EDMRの場合、hサイト型の検出例はあるものの、TV2aセンターの検出例がなかった。本研究では、4H-SiC MOSFETを用いてTV2aセンターのEDMRによる電気信号での検出に成功した。さらにTV2aセンター信号強度がゲート電圧に依存して変化し、-3Vから1Vの間で最大値をとることを確認した。また、CV測定を実施しMOS界面のフェルミ準位を算出したところ、ちょうど前述のゲート電圧帯付近でVSiの荷電状態が負に変化していることがわかった。以上のことから、VSiの荷電状態をMOSFETのゲート電圧によって制御できることが示唆された。

Carbonized element (4H-SiC) Single Photon Source (SPS) Quantum Photon Source (SPS)グを実appears するために、Interface SPS とcall ばれるMOS interface に発生するSPSをoptics The evaluation of the interface SPS and MOSFET is based on the electric pressure and the light intensity. The degree of を変化させるもののstill originates from がわからず电スピンの有无しなかった.そこで、バルクではスピンcontrolも実证されているSPSとして知られるシリコンempty hole (VSi)を, Yang Sub-ray irradiation is done at the MOS interface and the SPS interface is at the same time. Normally, VSi's electronic スピン検出には optic 検出 Magnetic Resonance (ODMR) という, Electronic スピン Resonance (ESR) をVSi's light intensity の変化を Use いて検出する technique The advantages of this study are as follows:生かすべく, 电検出Magnetic Resonance (EDMR) という Technique での検出をtrialみた. VSi's ESR signal is divided into 2 kinds of holes and grid point positions (hサイト/kサイト).このうちkサイトのVSiのESR signal をTV2a センターとHUび、VSiを用いたFirst research ではTV2aセンターを対 resemble にODMRを Use いて research が行われていた.しかし, EDMR no occasion, hサイト type の検出 Example はあるものの, TV2a センターの検出 Example がなかった. In this study, the 4H-SiC MOSFET was successfully used to generate electric signals using TV2a EDMR.さらにTV2aセンターsignal strengthがゲートelectric voltage dependenceして変化し、-3Vから1Vの间でMaximum valueをとることをconfirmationした.また、CV measurement を実时しMOS interface のフェルミlevel をcalculation したところ、ちょうどThe above-mentioned electric voltage is applied to the state of charge of the near VSi and the negative state of charge is changed. The above state of charge of the MOSFET and the state of charge of the VSi are shown in the figure below.