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Single-photon emitting diode in silicon carbide

Lohrmann, A.*; 岩本 直也*; Bodrog, Z.*; Castelletto, S.*; 大島 武; Karle, T. J.*; Gali, A.*; Prawer, S.*; McCallum, J. C.*; Johnson, B. C.*

Nature Communications (Internet), 6, p.7783_1 - 7783_7, 2015/07

 被引用回数:110 パーセンタイル:96.86(Multidisciplinary Sciences)

A new single photon source (SPS) was found in hexagonal silicon carbide (SiC), and the luminescence from the SPS could be controlled by the operation of the pn diode. The SPS showed electro-luminescence (EL) with spectra between 700 and 850 nm (zero phonon line: 745 nm) and the EL could be easily observed at even room temperature (RT). Also, the SPS has very high thermal stability and can be observed even after 1800 $$^{circ}$$C annealing. The luminescence from the SPS was also observed by photo-luminescence measurements at RT. From Ab initio calculation, it was proposed that the silicon antisite defects beneath cubic SiC inclusion are a reasonable structure for the SPS although the identification of the SPS has not yet done.


Coherent control of single spins in silicon carbide at room temperature

Widmann, M.*; Lee, S.-Y.*; Rendler, T.*; Son, N. T.*; Fedder, H.*; Paik, S.*; Yang, L.-P.*; Zhao, N.*; Yang, S.*; Booker, I.*; et al.

Nature Materials, 14(2), p.164 - 168, 2015/02

 被引用回数:309 パーセンタイル:99.49(Chemistry, Physical)

Single silicon vacancy (V$$_{Si}$$) in silicon carbide (SiC) was studied from the point of view of single photon source for quantum computing. The V$$_{Si}$$ centers were created in high purity semi-insulating hexagonal (4H)-SiC by 2 MeV electron irradiation with fluences up to 5$$times$$10$$^{15}$$ /cm$$^{2}$$. No subsequent annealing was carried out. A couple of solid immersion lens (SIL) with 20 $$mu$$m diameter were created on samples by ion milling using 40 keV Ga focused ion beam. A typical home-built confocal setup was used after optimizing for emission in the wavelength range around 900 nm. As a result, optically detected electron spin resonance (ODMR) for V$$_{Si}$$ was observed at room temperature (RT). Using ODMR, Rabi oscillations were also observed, and the Rabi frequency increased with increasing applied-magnetic field. In addition, spin relaxation time T$$_{1}$$ and T$$_{2}$$ were detected to be 500 $$mu$$s and 160 $$mu$$s, respectively.


Room temperature quantum emission from cubic silicon carbide nanoparticles

Castelletto, S.*; Johnson, B. C.*; Zachreson, C.*; Beke, D.*; Balogh, I.*; 大島 武; Aharonovich, I.*; Gali, A.*

ACS Nano, 8(8), p.7938 - 7947, 2014/08

Single Photon Sources (SPSs) in cubic (3C) Silicon Carbide (SiC) Nano Particles (NPs) were investigated. As a result, photo luminescence (PL) with broad emission at wavelength ranges between 600 and 800 nm was observed from 3C-SiC NPs at room temperature. The second order photon auto-correlation measurements revealed that defect with the PL characteristic is SPSs. The intensity and stability of the PL increased when samples were irradiated with electrons and subsequently annealed at 500 $$^{circ}$$C. From PL measurements at low temperature and theoretical analysis using spin-polarized density functional theory, the defect can be identified as carbon-antisite carbon-vacancy pair (C$$_{Si}$$V$$_{C}$$).


A Silicon carbide room-temperature single-photon source

Castelletto, S.*; Johnson, B.*; Ivady, V.*; Stavrias, N.*; 梅田 享英*; Gali, A.*; 大島 武

Nature Materials, 13(2), p.151 - 156, 2014/02

 被引用回数:312 パーセンタイル:99.38(Chemistry, Physical)

単一フォトンの発生や検出は量子力学の実験的な基盤や計測理論に重要な役割を示す。また、効率的、高品質の単一発光源は量子情報等の実現にとって不可欠と考えられている。本研究では、室温においても非常に明るく安定な炭化ケイ素(SiC)中の単一発光源の形成と同定に成功した。この単一発光源はSiC中のシリコンサイトを炭素で置換した炭素アンチサイト(C$$_{Si}$$)と炭素空孔(V$$_{C}$$)の複合欠陥(C$$_{Si}$$V$$_{C}$$)として知られる点欠陥であり、高純度SiCに対して、電子線照射と照射後の熱処理を組み合わせることで形成が可能となる。非常に明るい光源(2$$times$$10$$^{6}$$ counts/s)であり、キャビティーの使用が無い場合においても高い量子効率が得られる。


Local thermal expansion and the C-C stretch vibration of the dicarbon antisite in 4H SiC

Devaty, R. P.*; Yan, F.*; Choyke, W. J.*; Gali, A.*; 木本 恒暢*; 大島 武

Materials Science Forum, 717-720, p.263 - 266, 2012/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:60.76

The Carbon-Carbon (C-C) stretch vibration associated with the dicarbon antisite in 4H Silicon Carbide (SiC) has been observed from up to the fifth harmonic in the low temperature photoluminescence spectrum. By the fitting to the obtained data using the Morse potential, we can obtain the reasonable anharmonicity. We also combined experimental results, the analytically tractable Morse potential, and results obtained from first principles calculations in order to estimate the thermal expansion coefficient of the C-C bond. This local thermal expansion coefficient is considerably smaller than the linear thermal expansion coefficient of bulk 4H SiC, in striking contrast with the recent result obtained from the nitrogen-vacancy center in diamond that the local thermal expansion coefficientis larger than the bulk value.


Anharmonic vibrations of the dicarbon antisite defect in 4H-SiC

Yan, F.*; Devaty, R. P.*; Choyke, W. J.*; Gali, A.*; 木本 恒暢*; 大島 武; Pensl, G.*

Applied Physics Letters, 100(13), p.132107_1 - 132107_3, 2012/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:10.01(Physics, Applied)

Dicarbon antisite defects were introduced into 4H Silicon Carbide (SiC) by either electron irradiation or ion implantation (H or He) and subsequent annealing between 700 and 1700 $$^{circ}$$C for 30 min in Ar. As a result of low temperature photoluminescence at 2 K, the no-phonon lines from the dicarbon antisite defect center were detected with their phonon replicas. The stretch frequencies of the defect with up to the fifth harmonic were also observed. The Morse potential model accounts for the anharmonicity quite well and gives a very good prediction of the vibration energies up to the fifth harmonic at an error within 1%. The observed anharmonicity can be explained in terms of the model of a dicarbon antisite defect along with its four nearest neighboring carbon atoms using first principles calculations.


Defects at nitrogen site in electron-irradiated AlN

Son, N. T.*; Gali, A.*; Szab$'o$, $'A$.*; Bikermann, M.*; 大島 武; 磯谷 順一*; Janz$'e$n, E.*

Applied Physics Letters, 98(24), p.242116_1 - 242116_3, 2011/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:33.93(Physics, Applied)



EPR and ${it ab initio}$ calculation study on the EI4 center in 4$$H$$- and 6$$H$$-SiC

Carlsson, P.*; Son, N. T.*; Gali, A.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; Magnusson, B.*; Janz$'e$n, E.*

Physical Review B, 82(23), p.235203_1 - 235203_11, 2010/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:40.08(Materials Science, Multidisciplinary)

六方晶(4$$H$$及び6$$H$$)炭化ケイ素(SiC)中のEI4欠陥中心に関して電子常磁性共鳴(EPR)による評価を行った。高純度半絶縁性のSiCに電子線照射を行い、その後700$$sim$$750$$^{circ}$$Cの熱処理を行うことでEI4欠陥中心が増加することが判明した。$$^{29}$$Si及び$$^{13}$$Cの超微細相互作用を調べ、熱処理によるEPRシグナルの変化量及び異なる炭素空孔型欠陥を考慮した${it ab initio}$ supercell計算の結果、このEI4センターが中性の炭素空孔とシリコンサイトに炭素が入ったアンチサイトと炭素空孔の複合欠陥((V$$_{C}$$-C$$_{Si}$$V$$_{C}$$)$$^{0}$$)であることが同定できた。


New lines and issues associated with deep defect spectra in electron, proton and $$^{4}$$He ion irradiated 4H SiC

Yan, F.*; Devaty, R. P.*; Choyke, W. J.*; 木本 恒暢*; 大島 武; Pensl, G.*; Gali, A.*

Materials Science Forum, 645-648, p.411 - 414, 2010/00



Identification of a Frenkel-pair defect in electron-irradiated 3$$C$$ SiC

Son, N. T.*; Janz$'e$n, E.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 花屋 博秋; 瀧澤 春喜; 大島 武; Gali, A.*

Physical Review B, 80(12), p.125201_1 - 125201_8, 2009/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:42.11(Materials Science, Multidisciplinary)

耐放射線性炭化ケイ素(SiC)半導体デバイス開発の基礎データ取得のため、2MeV電子線照射により立方晶(3$$C$$)SiC中に生成する照射欠陥を電子常磁性共鳴法(EPR)により調べた。その結果、80$$sim$$100Kでの低温照射の場合、LE1とラベル付けされたEPRシグナルが観測されることが判明した。LE1シグナルの温度依存性,EPR測定角度依存性の結果と、スーパーセルを用いた数値計算の結果を比較することで、このLE1シグナルが、+3価の電荷を持ち、[100]方向に沿った、Si空孔(V$$_{rm Si}$$)と第二近接に位置するSi格子間原子(Si$$_{rm i}$$)フレンケルペア型の欠陥であると同定できた。加えて、低温照射ではこのLE1シグナルが主要欠陥であり、単一の空孔型欠陥は観測されないことも判明した。さらに、室温まで温度を上昇させると、LE1シグナルが消失することも併せて明らかとなった。


Defects introduced by electron-irradiation at low temperatures in SiC

Son, N. T.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; Gali, A.*; Janz$'e$n, E.*

Materials Science Forum, 615-617, p.377 - 380, 2009/00

耐放射線性半導体として期待される炭化ケイ素(SiC)の欠陥研究の一環として、低温下での電子線照射により生成される欠陥の同定を電子常磁性共鳴(EPR)を用いて行った。試料は立方晶(3C),六方晶(4H, 6H)SiCを用い、80$$sim$$100Kの温度範囲で2MeV電子線を照射した。照射後も試料を低温下で保持し、EPR測定を行った結果、LE1$$sim$$LE10とラベル付けされたスペクトルが観測された。このうち、3C-SiCで観測されたC$$_{2v}$$対称、スピン3/2を持つLE1とラベルされたスペクトルを理論計算結果と併せて考察することで、シリコン空孔と$$<$$100$$>$$方向に存在するシリコン格子間原子のフレンケルペアが3価に荷電した(V$$_{Si}$$-Si$$_{i}$$)$$^{3+}$$複合欠陥であることを決定した。


Identification of the negative Di-carbon antisite defect in n-type 4H-SiC

Gali, A.*; 梅田 享英*; Janz$'e$n, E.*; 森下 憲雄; 大島 武; 磯谷 順一*

Materials Science Forum, 615-617, p.361 - 364, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)中の欠陥研究の一環として、アンチサイト炭素に関する研究を電子スピン共鳴(ESR)及び第一原理計算を用いて行った。試料はn型の六方晶(4H-SiC)を用い、300$$sim$$800$$^{circ}$$CでMeV級のエネルギーの電子線を10$$^{18}$$/cm$$^{2}$$程度照射することで欠陥を導入した。ESR測定の結果、Sが1/2でC$$_{1h}$$対称を持つHEI5とHEI6とラベルつけされたシグナルが観測された。$$^{29}$$Si及び$$^{13}$$Cの超微細相互作用を考慮した詳細測定を行うとともに、第一原理計算によりHEI5及びHEI6の構造解析を行った。その結果、HEI5及びHEI6は、それぞれ、キュービック及びヘキサゴナルサイトのシリコン格子位置を置換した炭素原子に格子間炭素が結合したアンチサイト炭素複合欠陥(Di-Carbon Antisite)であることが同定できた。


Identification of divacancies in 4H-SiC

Son, N. T.*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; Gali, A.*; Bockstedte, M.*; Magnusson, B.*; Ellison, A.*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; et al.

Physica B; Condensed Matter, 376-377, p.334 - 337, 2006/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:18.82(Physics, Condensed Matter)

六方晶炭化ケイ素(4H-SiC)の固有欠陥解明研究の一環として、P6/P7とラベル付けされた格子欠陥(センター)を電子常磁性共鳴(EPR)法及び理論計算(ab initio)法を用いて調べた。室温または850$$^{circ}$$Cでの3MeV電子線照射により4H-SiC中にP6/P7センターを導入し、EPR測定を行った結果、P6/P7センターの近接炭素及びシリコン原子の超微細相互作用定数が電気的に中性の複空孔(V$$_{C}$$V$$_{Si}$$$$^{0}$$)に対する計算値と非常によく一致することがわかった。これにより、正に帯電した炭素空孔と炭素アンチサイト対の光励起三重項状態(V$$_{C}$$C$$_{Si}$$$$^{2+}$$)と従来考えられていたP6/P7センターが、C$$_{3V}$$/C$$_{1h}$$対称性を有するV$$_{C}$$V$$_{Si}$$$$^{0}$$の三重基底状態に起因すると結論できた。


Identification of the carbon antisite-vacancy pair in 4${it H}$-SiC

梅田 享英*; Son, N. T.*; 磯谷 順一*; Janz$'e$n, E.*; 大島 武; 森下 憲雄; 伊藤 久義; Gali, A.*; Bockstedte, M.*

Physical Review Letters, 96(14), p.145501_1 - 145501_4, 2006/04

 被引用回数:76 パーセンタイル:91.15(Physics, Multidisciplinary)

炭化ケイ素(SiC)の固有欠陥同定研究の一環として、SI5と呼ばれる欠陥の構造同定を行った。試料にはn型の六方晶(4${it H}$)SiCを用い、3MeV電子線照射を行うことでSI5を導入した。Xバンドでの電子スピン共鳴(ESR)及び電子-核二重共鳴(ENDOR)によりSI5の評価を行った。超微細相互作用の角度依存性を調べたところ、50K以下の低温ではC$$_{1h}$$対称であるのに対し、50K以上ではC$$_{3v}$$対称となることが見いだされた。これは、局在する電子の安定位置が温度により異なることによると考えられる。得られた実験結果を詳細に解析することでスピン-ハミルトニアンパラメータを決定するとともに、密度関数理論(Density Functional Theory)に基づいた第一原理計算を行った結果、SI5はアンチサイトC原子-C空孔ペア(C$$_{Si}$$V$$_{C}$$)に起因すると結論できた。


Divacancy in 4H-SiC

Son, N. T.*; Carlsson, P.*; Hassan, J. ul*; Janz$'e$n, E.*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; Gali, A.*; Bockstedte, M.*; 森下 憲雄; 大島 武; et al.

Physical Review Letters, 96(5), p.055501_1 - 055501_4, 2006/02

 被引用回数:163 パーセンタイル:96.82(Physics, Multidisciplinary)

電子スピン共鳴(ESR)及びab initioスーパーセル計算を用いて炭化ケイ素(SiC)中の固有欠陥であるP6/P7センターの同定を行った。試料はn型及び高抵抗(SI)の六方晶SiC(4H-SiC)を用い、3MeVの電子線を室温又は850$$^{circ}$$Cで2$$times$$10$$^{18}$$, 1$$times$$10$$^{19}$$/cm$$^{2}$$照射し、P6/P7センターを導入した。ESR測定の結果、p型SiCではP6/P7センターは光照射下でのみ観測されていたが、n型SiCではシグナル強度は照射直後は低いものの暗状態でも観測されることが判明した。さらに、850$$^{circ}$$C照射又は熱処理することでシグナル強度が増大することを見いだした。また、$$^{13}$$C及び$$^{29}$$Siの超微細相互作用の角度依存性の解析から、P6/P7センターがc軸に平行(C$$_{3v}$$対称)なSi空孔(V$$_{Si}$$)とC空孔(V$$_{C}$$)の複空孔(V$$_{Si}$$-V$$_{C}$$)とc軸に対し横向き(C$$_{1h}$$対称)のV$$_{Si}$$-V$$_{C}$$であると同定された。さらに、ab initioスーパーセル計算を行ったところ、対称性や超微細相互作用のテンソルの値がESRの結果をよく再現することが判明した。以上より、P6/P7センターはV$$_{Si}$$-V$$_{C}$$であると帰結できた。


Shallow P donors in 3${it C}$-, 4${it H}$-, and 6${it H}$-SiC

磯谷 順一*; 片桐 雅之*; 梅田 享英*; Son, N. T.*; Henry, A.*; Gali, A.*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; Janz$'e$n, E.*

Materials Science Forum, 527-529, p.593 - 596, 2006/00

炭化ケイ素(SiC)中のリン(P)ドナーを電子常磁性共鳴(EPR)により調べた。試料は化学気相成長中にPを導入した立方晶(3${it C}$-)SiC,六方晶(4${it H}$-, 6${it H}$-)SiCを用いた。また、高品質高抵抗SiC基板にPイオン(9$$sim$$21MeV)を注入し、Ar中1650$$^{circ}$$Cで30分間熱処理を行った試料も用いた。低温(6K及び60K)でのEPR測定の結果、3${it C}$-SiCではP, 4${it H}$-SiCではP$$_{k}$$, 6${it H}$-SiCではP$$_{k1}$$, P$$_{k2}$$というPドナーに起因するシグナルの観測に成功した。また、イオン注入によりPを導入したSiC基板から得られるEPRシグナルを詳細に調べることで、炭素サイトを置換したP不純物シグナルであるP$$_{a}$$及びP$$_{b}$$も合わせて観測できた。


Divacancy model for P6/P7 centers in 4H- and 6H-SiC

Son, N. T.*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; Gali, A.*; Bockstedte, M.*; Magnusson, B.*; Ellison, A.*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; et al.

Materials Science Forum, 527-529, p.527 - 530, 2006/00

電子常磁性共鳴(EPR)を用いて六方晶炭化ケイ素(4H-, 6H-SiC)中の欠陥センターであるP6/P7の構造同定を行った。試料はn型,p型の4H-及び6H-SiC及び高品質半絶縁4H-SiCを用いた。室温または850$$^{circ}$$Cでの3MeV電子線照射(2$$times$$10$$^{18}$$$$sim$$1$$times$$10$$^{19}$$/cm$$^{2}$$)によりP6/P7センターを導入した。低温(8K及び77K)での$$^{13}$$C及び$$^{29}$$Siの超微細相互作用を調べた結果、P6及びP7センターは、それぞれ、結晶のC軸に垂直または平行なシリコン空孔(V$$_{Si}$$)と炭素空孔(V$$_{C}$$)の複空孔(V$$_{C}$$-V$$_{Si}$$$$^{0}$$)であると決定できた。


EPR and theoretical studies of positively charged carbon vacancy in 4$$H$$-SiC

梅田 享英*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; 神谷 富裕; Gali, A.*; De$'a$k, P.*; Son, N. T.*; Janz$'e$n, E.*

Physical Review B, 70(23), p.235212_1 - 235212_6, 2004/12

 被引用回数:41 パーセンタイル:83.58(Materials Science, Multidisciplinary)

六方晶炭化ケイ素(4$$H$$-SiC)中に存在する炭素空孔(EI5, EI6)の構造について電子常磁性共鳴(EPR)法及び理論計算(ab inito法)を用いて調べた。炭素空孔は、p型4$$H$$-SiC単結晶に850$$^{circ}$$Cで1MeV電子線を4$$times$$10$$^{18}$$/cm$$^{2}$$照射することで導入した。kサイトの炭素空孔であるEI5は、熱的運動効果でC$$_{3v}$$対称になるとわかっていたが、正確な構造は不明であった。これに対し、40K以下でのEPR測定を行った結果、EI5はヤンテラー効果でC$$_{1h}$$対称であることが判明した。さらに、EI5に対して実験的に得られたESRパラメータの値は、理論計算より求められた結果と良い一致を示した。また、熱的な励起によりEI5がC$$_{1h}$$対称からC$$_{3v}$$対称になる活性化エネルギーは0.014eVであることを見いだした。hサイトの炭素空孔であるEI6についてもEPRで分析した結果、C$$_{3v}$$対称であることが判明し、理論計算結果とも良い一致を示した。



梅田 享英*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; Gali, A.*

no journal, , 

耐放射線性半導体として期待される炭化ケイ素(SiC)の欠陥研究の一環として、電子常磁性共鳴(EPR)測定と第一原理計算の結果を比較検討することで格子間炭素に由来する欠陥を調べた。格子間炭素由来欠陥は、最近低温フォトルミネッセンス観察によって多数見いだされ、その存在が注目を集めている。格子間炭素はSiC中では複合化(di-carbon, C$$_{2}$$)として存在すると言われており、Cサイトに入ったものをdi-carbon interstitial(C$$_{2}$$)$$_{C}$$、Siサイトに入ったものをdi-carbon antisite(C$$_{2}$$)$$_{Si}$$と呼ぶ。HEI5/HEI6と名付けられたEPRシグナルに関しては、以前より格子間炭素由来であることが指摘されていたが、その構造は同定されていなかった。今回、HEI5/HEI6の熱安定性の考察及び$$^{13}$$C及び$$^{29}$$Si超微細テンソルのほぼ完全な解析と、第一原理計算による計算値との比較を行うことで、HEI5信号がSi(k)サイト、HEI6信号がSi(h)サイトに入った(C$$_{2}$$)$$_{Si}$$であると同定できた。


The Carbon vacancy in SiC

Son, N. T.*; Trinh, X. T.*; 須田 淳*; 木本 恒暢*; L${o}$vile, L. S.*; Svensson, B. G.*; Szasz, K.*; Hornos, T.*; Gali, A.*; 梅田 享英*; et al.

no journal, , 

近年、炭化ケイ素(SiC)中の炭素(C)空孔関連欠陥の電子状態などが明らかになってきた。しかし、それらのエネルギー準位や、物性への影響に関してはまだ不明な点が残っている。これまで、電子スピン共鳴(Electron Paramagnetic Resonance: EPR)やDeep Level Transient Spectroscopy(DLTS)によって、Z$$_{1/2}$$やEH$$_{6/7}$$等の一般的な深い準位にC空孔が含まれることが知られている。具体的には、EH$$_{6/7}$$は、C空孔のあるエネルギー準位(0$$mid$$+)に関係していることが明らかになったが、Z$$_{1/2}$$とC空孔の関係についてはまだわかっていない。本研究では、電子線を照射した4H-SiCに対して、EPRやDLTSを行い、Z$$_{1/2}$$とC空孔の関係について調べた。その結果、EPRによって決定されたZ$$_{1/2}$$のエネルギー準位とDLTSによるエネルギー準位は非常によい一致を示し、C空孔のある準位(2-$$mid$$0)と一致することを明らかにした。

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