【公開日：2025.06.16】【最終更新日：2025.05.07】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22KT1278
利用課題名 / Title
電気的に制御した新規半導体量子デバイスの実現
利用した実施機関 / Support Institute
京都大学 / Kyoto Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials
キーワード / Keywords
表面・界面・粒界制御,ナノエレクトロニクス,ダイヤモンド,シリコンカーバイド,リソグラフィ/Lithography,スパッタリング/Sputtering,蒸着・成膜/Evaporation and Deposition,CVD,スピン制御/ Spin control,フォトニクス/ Photonics,量子コンピューター/ Quantum computer
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
水落 憲和
所属名 / Affiliation
京都大学 化学研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
森下弘樹,森岡直也,西川哲理,八尾肇,岡島和希
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-104：高速マスクレス露光装置
KT-107：厚膜フォトレジスト用スピンコーティング装置
KT-201：多元スパッタ装置（仕様Ａ）
KT-203：電子線蒸着装置
KT-205：プラズマCVD装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ダイヤモンドやシリコンカーバイド(SiC)中の欠陥や不純物中の単一スピンは，室温においても操作や検出が可能なため、量子情報処理デバイスや超高感度量子センサの実現に向けて注目されている。我々は、ナノテクノロジーハブ拠点の施設を利用して、ダイヤモンド基板やSiC基板上に微細加工を行い、ダイヤモンドやSiC中の欠陥や不純物スピンの電気的制御や検出を実証し、電気的に制御した新規半導体量子デバイスの実現を目指す。
実験 / Experimental
SiC基板上に、以下に示す手順で微細加工電極を作製した。1) UVオゾンクリーナー・キュア装置により表面清浄化。2) プラズマCVD装置(KT-205）でSiO2を成膜。3) 厚膜フォトレジスト用スピンコーティング装置（KT-107）を利用して、HMDSを塗布。4) スピンコータを利用して、フォトレジストを塗布。5)高速マスクレス露光装置（KT-104）を用いて、パターンを作製。6)電子線蒸着装置（KT-203）を用いて金属薄膜を蒸着。7) リフトオフプロセスにて、マイクロ波アンテナと電極パッドを形成。8) 4)～7)およびバッファードフッ酸処理を繰り返し用いて、SiCへの電極コンタクト開口および微細電極パターンを形成。このようにして作製した微細加工電極やマイクロ波アンテナを用いて量子情報処理デバイスや超高感度量子センサの実現に向けた基盤研究を行なっている。
結果と考察 / Results and Discussion
Fig. 1に本課題で作製したSiC上の微細加工電極の写真を示す。SiO2開口部に露出したSiCに微細コンタクトが形成できている。このサンプルを利用して、SiCにおける電気的に制御された新規半導体量子デバイスの実現を目指した量子情報素子の研究を現在進めている。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1: Electrical contacts to SiC through CVD SiO2 mask
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Tetsuri Nishikawa, Electrical detection of nuclear spins via silicon vacancies in silicon carbide at room temperature, Applied Physics Letters, 121, (2022).
DOI: 10.1063/5.0115928
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Hiroki Morishita, Spin-Dependent Dynamics of Photocarrier Generation in Electrically Detected Nitrogen-Vacancy-Based Quantum Sensing, Physical Review Applied, 19, (2023).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.034061
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Naoya Morioka, Tetsuri Nishikawa, Hiroshi Abe, Hiroki Morishita, Takeshi Ohshima, and Norikazu Mizuochi, “Room-temperature electrical detection of nuclear spins in silicon carbide”, 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing, November 29, 2022, Online
- Hiroki Morishita, Naoya Morioka, Tetsuri Nishikawa, Hajime Yao, Shinobu Onoda, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, and Norikazu Mizuochi, “Spin-Dependent Photocarrier Generation Dynamics in Electrically Detected NV-Based Quantum Sensor”, 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing, November 29, 2022, Online
- 森岡直也、"炭化ケイ素中のシリコン空孔量子光源"、第70回応用物理学会春季学術講演会（東京）、令和5年3月17日
- 森下弘樹、"電気的磁気共鳴検出法を利用したダイヤモンドNV量子センサ"、「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Spin-RNJ）」シンポジウム 2022年度報告会（京都）、令和5年3月20日
- 森岡直也、西川哲理、阿部浩之、森下弘樹、大島武、水落憲和、”炭化ケイ素中の欠陥電子スピンおよび核スピンの室温での電気的検出”、「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Spin-RNJ）」シンポジウム 2022年度報告会（京都）、令和5年3月21日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件