Nanoscale deterministic single ion implantation for semiconductor qubit formation

半導体中にドープしたP ドナーや遷移金属といった不純物原子は、その電子準位を高度に制御することによって、量子計算や量子通信に不可欠な量子ビットとして用いることができる。複数の量子ビットを操る量子デバイスを作製するためには、ナノメートルスケールの特定の位置に量子ビットを必要な数だけ配置しなければならないが、そのためには、ナノメートル精度で位置や数を高度に制御する単一イオン注入技術の開発が不可欠である。本研究では、ワイドギャップ半導体のひとつである窒化ガリウム(GaN)に対し、α 線が入射した際に発生する誘起過渡電流を解析することで、単一イオンヒット検出が可能な条件の検討をおこなった。 n型GaNエピ膜に縦型ショットキーバリアダイオードを形成し、逆バイアス電圧を印加した状態で、241Am のα線(5.486 MeV)が入射した際の誘起過渡電流を検出した。誘起過渡電流はCharge Sensitive Preamplifier (CSP)およびSpectroscopic Amplifier (SA)を用いて電圧信号へと処理し、オシロスコープによって波形の出力をおこなった。その結果、逆バイアス電圧の上昇に伴い電圧信号が増加しており、作製したダイオードで単一イオンが検出できることを確認した。また、得られた信号出力の解析から、量子ビット形成に用いられるエネルギー範囲である100keV以下のイオン注入の検出が可能であることを明らかにした。 次に、マイクロピンホールをつかった簡易マイクロビームの開発に加え、アルミナナノキャピラリの形状解析を行った。前者に関しては、直径1μmφ、アスペクト比50のマイクロピンホールをビームラインに設置し、簡易マイクロビーム形成実験に向けた準備を進めた。後者に関しては、多孔質アルミナの穴形状を電子顕微鏡を用いて観察し、高アスペクト比のナノキャピラリとして使用可能な箇所の選定を行った。その結果、100nmφ以下の多孔質では形状不良が多いことがわかった。