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論文

New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

Physica Status Solidi (A), 212(11), p.2641 - 2644, 2015/11

 被引用回数:5 パーセンタイル:74.19(Materials Science, Multidisciplinary)

Nitrogen-vacancy (NV) center in diamond is a luminescent point defect with applications of quantum computation and atomic scale sensors. One of the most important features of NV center is high emission rate. This enables single NV centers to be detected using a confocal laser scanning microscope. In this study, we propose a new application of NV centers as a single ion track detector. We perform 490 MeV Os ion irradiation to diamond grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. After high temperature annealing at 1000 $$^{circ}$$C, the ion track is able to be visualized by using confocal laser scanning microscope. In short, we have successfully detected ion track in diamonds.

論文

NV centers in diamond used for detection of single ion track

春山 盛善; 小野田 忍; 加田 渉*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 大島 武; 花泉 修*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.184 - 187, 2015/11

We propose that diamond can be utilized as a new Fluorescent Nuclear Track Detector (FNTD) material. For this aim, we focus on Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. One of the most important features of a NV center is a high emission rate, which enable us to observe single NV center. After high energy ion irradiation and subsequent annealing, we successfully observe Os ion tracks in various diamonds containing dense nitrogen impurity. However, Os ion track cannot be observed from diamond without nitrogen impurity. We found that the optimization of nitrogen impurity is a key issue for developing high sensitive FNTD based on diamond.

論文

Hydrogen at zinc vacancy of ZnO; An EPR and ESEEM study

Son, N. T.*; 磯谷 順一*; Ivanov, I. G.*; 大島 武; Janz$'e$n, E.*

AIP Conference Proceedings 1583, p.341 - 344, 2014/02

Defect centers in zinc oxide (ZnO) were investigated using electron paramagnetic resonance (EPR) techniques. Un-doped ZnO samples were irradiated with 2MeV electrons with fluence ranges between 2 and 4$$times$$10$$^{18}$$ /cm$$^{2}$$ at room temperature. As a result of EPR measurements, the spectrum, labeled S1, with small-splitting doublet accompanied by weak satellites was observed. The obtained structure is shown to be the hyperfine structure because of the dipolar interaction between an unpaired electron spin and a nuclear spin of hydrogen (H). The presence of H atom in S1 was confirmed from the observation of the nuclear Zeeman frequency of H in electron spin echo envelope modulation experiments. Considering the observed spin-Hamiltonian parameters, S1 was identified to be the partly H-passivated Zn vacancy, V$$_{Zn}$$$$^{-}$$H$$^{+}$$, with the H$$^{+}$$ ion making a short O-H bond with only one nearest O neighbor of V$$_{Zn}$$ in the basal plane, being off the substitutional site, while the unpaired electron spin, by which the observed EPR signal increased, was localized on the p orbital of another O neighbor also in the basal plane.

論文

Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register

Waldherr, G.*; Wang, Y.*; Zaiser, S.*; Jamali, M.*; Schulte-Herbr$"u$ggen, T.*; 阿部 浩之; 大島 武; 磯谷 順一*; Du, J. F.*; Neumann, P.*; et al.

Nature, 506(7487), p.204 - 207, 2014/02

 被引用回数:270 パーセンタイル:0.39(Multidisciplinary Sciences)

量子ビットが担う"重ね合わせ"という量子情報は、外部との意図しない相互作用により容易に壊されるので、量子エラー訂正無しでは量子コンピューティングは実現困難である。ダイヤモンド中のカラーセンターの一つであるNVセンターの単一分子に相当する単一欠陥を用いて、電子スピン1個と核スピン3個からなるハイブリッド量子レジスタを作製($$^{12}$$C 99.8%濃縮した合成ダイヤモンド結晶に電子線照射と熱処理によりNVセンターを形成)し、室温動作の固体スピン量子キュービットでは世界で初めて量子エラー訂正のプロトコルの実行に成功した。この方法はスケーラブルなので、フォールト・トレラントな量子操作を多量子ビットへ拡張することが可能となり、固体量子情報デバイス実現への道を開くものである。

論文

Development of ion photon emission microscopy at JAEA

小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.93 - 96, 2012/12

We have developed two systems to acquire two-dimensional maps of Single Event Effects (SEEs) by using focused microbeams. While the microbeam has many advantages for SEE testing, the transport and optimization of the microbeam requires much time and effort, especially for high energy heavy ions. Therefore the mapping system with less effort is required, and we are developing the Ion Photon Emission Microscopy (IPEM). Since the spatial resolution is determined by the spot size and the intensity of luminescence, the scintillator is one of the most important parts of IPEM. We propose that the diamond containing Nitrogen Vacancy (NV) centers can be used as a scintillator. For both diamond and YAG:Ce proposed by Sandia National Laboratories, the minimum spot size is a few micrometers. IBIL intensity from diamond is four times higher than that from YAG:Ce. Therefore, we propose that the diamond containing NV centers is a rival candidate of YAG:Ce for IPEM.

論文

Capacitance transient study of a bistable deep level in e$$^{-}$$-Irradiated n-type 4H-SiC

Beyer, F. C.*; Hemmingsson, C. G.*; Pedersen, H.*; Henry, A.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄*; 大島 武; Janz$'e$n, E.*

Journal of Physics D; Applied Physics, 45(45), p.455301_1 - 455301_7, 2012/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:56.76(Physics, Applied)

A bistable center, named FB center, in electron irradiated 4H-SiC was observed using capacitance transient techniques. In configuration called "$$A$$", the deep level known as EH5 ($$E$$$$_{a}$$ = $$E$$$$_{C}$$ - 1.07 eV) is detected in the deep level transient spectroscopy spectrum, whereas for configuration called "$$B$$", no obvious deep level is observed in the accessible part of the band gap. Isochronal annealing revealed that the transition temperatures to be from $$A$$ to $$B$$ is more than 730K, and for the opposite process from $$B$$ to $$A$$ is about 710 K. The energy needed to conduct the transformations were determined to be $$E$$$$_{A}$$($$A$$ to $$B$$) = (2.1 $$pm$$ 0.1) eV and $$E$$$$_{A}$$($$B$$ to $$A$$) = (2.3 $$pm$$ 0.1) eV, respectively. Since the bistable FB centre is already present after low-energy electron irradiation (200 keV), it is likely related to carbon.

論文

Negative-U system of carbon vacancy in 4H-SiC

Son, N. T.*; Trinh, X. T.*; L${o}$vile, L. S.*; Svensson, B. G.*; 河原 洸太朗*; 須田 淳*; 木本 恒暢*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; 牧野 高紘; et al.

Physical Review Letters, 109(18), p.187603_1 - 187603_5, 2012/11

 被引用回数:146 パーセンタイル:2.14(Physics, Multidisciplinary)

Nitrogen-doped n-type 4H-Silicon carbide (SiC) epitaxial layers were irradiated with electrons at 250 keV. Carbon vacancy (V$$_{C}$$) signals at both the h and k sites were studied using photoexitation Electron Paramagnetic Resonance (photo-EPR) and Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). As a result, double negative charge states of V$$_{C}$$, showing its negative-U system were revealed. By the direct correlation between EPR and DLTS data, it was concluded that Z$$_{1}$$ is V$$_{C}$$ at h site and Z$$_{2}$$ is V$$_{C}$$ at k site. In addition, we concluded that EH$$_{7}$$ is a single donor level of V$$_{C}$$.

論文

Diamonds utilized in the development of single ion detector with high spatial resolution

小野田 忍; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 37(2), p.241 - 244, 2012/06

To develop the single ion detection system with high spatial resolution, the ion induced luminescence was evaluated. By capturing the ion induced luminescence from a diamond by using Charge Coupled Device (CCD) Camera, the spot size and location of ion induced luminescence were evaluated. It was found that the full width at half maximum (FWHM) of spot is about 4 $$mu$$m. The position where ion hits the sample can be calculated from the center of mass of each spot. We performed the same experiment by using YAG which is proposed by previous studies. We found that the diamond is comparable to YAG from the point of view of spatial resolution. In addition, the intensity of luminescence from diamond was slightly higher than that from YAG. According to these results, we suggest that both diamond and YAG:Ce are suitable for single ion detection with high spatial resolution.

論文

Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR) studies of SiC-SiO$$_{2}$$ interfaces

梅田 享英*; 小杉 良治*; 福田 憲司*; 森下 憲雄*; 大島 武; 江嵜 加奈*; 磯谷 順一*

Materials Science Forum, 717-720, p.427 - 432, 2012/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:5.3

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた金属-酸化膜(SiO$$_{2}$$)-半導体(MOS)界面に存在する欠陥等を電気的検出磁気共鳴(EDMR)法を用いて調べた。SiC-SiO$$_{2}$$界面は、従来のシリコン(Si)-SiO$$_{2}$$界面と異なり炭素(C)等の不純物の存在が考えられるが、50Kでの低温測定を行うことでCダングリングボンドに起因するP$$_{H1}$$と呼ばれる欠陥センターやCダングリングボンドが水素や窒素(N)によって終端されたP$$_{H0}$$センターが観測された。また、MOSデバイスの特性向上を目的にN処理を行った試料では界面付近にNドナーに起因するNhセンターが観測された。このことは、界面にNドナーが導入されることにより界面付近のキャリア(電子)濃度上昇し、その結果、チャンネルの伝導度が高くなることで高品質なMOSデバイスが作製されることを示唆する結果といえる。

論文

Behavior of nitrogen atoms in SiC-SiO$$_{2}$$ interfaces studied by electrically detected magnetic resonance

梅田 享英*; 江嵜 加奈*; 小杉 良治*; 福田 憲司*; 大島 武; 森下 憲雄*; 磯谷 順一*

Applied Physics Letters, 99(14), p.142105_1 - 142105_3, 2011/10

 被引用回数:43 パーセンタイル:13.29(Physics, Applied)

By electrically detected magnetic resonance spectroscopy under low-temperature, the microscopic behavior of nitrogen atoms in the SiC-SiO$$_{2}$$ interface regions of n-channel 4H-Silicon Carbide (SiC) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) was investigated. As a result, it was found that shallow interface states were eliminated by nitrogen atoms located near the interface. Also, nitrogen atoms showed diffusion into the channel region of the MOSFETs, and acted as shallow donors. These two behaviors enable nitrogen atoms to enhance the channel mobility of electrons in SiC MOSFETs.

論文

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:64.75(Physics, Applied)

耐放射線性にも優れるといわれる窒化アルミ(AlN)中に発生する照射欠陥に関しての知見を得るために、AlN試料に2MeV電子線を照射し、発生した欠陥を電子常磁性共鳴(EPR)により調べた。その結果、EI-1と名付けられたスピン1/2の欠陥中心が観測された。電子のスピンと囲まれる4つの$$^{27}$$Aの核スピンとの超微細相互作用を詳細に調べ、さらに、スーパーセルを用いた理論計算結果と比較したところ、得られたEI-1中心はAlN中の中性の窒素空孔型の欠陥であると帰結できた。

論文

Annealing behavior of the EB-centers and M-center in low-energy electron irradiated $$n$$-type 4H-SiC

Beyer, F. C.*; Hemmingsson, C.*; Pedersen, H.*; Henry, A.*; Janz$'e$n, E.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄*; 大島 武

Journal of Applied Physics, 109(10), p.103703_1 - 103703_6, 2011/05

 被引用回数:8 パーセンタイル:64.75(Physics, Applied)

耐放射線性半導体として期待される炭化ケイ素(SiC)の照射欠陥に関する知見を得るため、$$n$$型六方晶(4H)SiCへ200keVの電子線を5$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$照射した。DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)測定の結果、Mセンターと呼ばれる欠陥が観測された。試料を熱処理することでMセンターの振舞いを調べたところ、Mセンターが消滅する過程で、新たにEBセンターと呼ばれる欠陥が発生することが判明した。EBセンターの増加の振る舞いがMセンターの減少と一致することから、EBセンターはMセンターが熱処理により構造を変化させて新たな欠陥構造になったと結論できた。さらに熱処理温度を上昇させると、700$$^{circ}$$CでEBセンターも消滅することも判明した。使用した電子線のエネルギーがSiC中のシリコン(Si)のはじき出しのしきい値エネルギー以下であることから、今回観察されたMセンター,EBセンターともに炭素(C)が関連する欠陥中心であることが示唆された。

論文

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:7 パーセンタイル:62.41(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。

論文

Fluorine-vacancy defects in fluorine-implanted silicon studied by electron paramagnetic resonance

梅田 享英*; 磯谷 順一*; 大島 武; 小野田 忍; 森下 憲雄; 小此木 堅祐*; 白竹 茂*

Applied Physics Letters, 97(4), p.041911_1 - 041911_3, 2010/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:73.65(Physics, Applied)

In this study, fluorine-vacancy defects (F$$_{n}$$V$$_{m}$$) in silicon (Si) were investigated by electron paramagnetic resonance, EPR. The F$$_{n}$$V$$_{m}$$ vacancies in Si were created using fluorine ion implantation at room temperature and subsequent annealing up to 700 $$^{circ}$$C. As a result, the most primitive center was FV$$_{2}$$ (the F0 center) in the case of initial stage of F implantation. With increasing the implanted F ions or annealing to the sample, other F$$_{n}$$V$$_{m}$$ defects with more accumulation of F atoms appeared. Then, the F$$_{1}$$ center (F$$_{n}$$V$$_{5}$$) was observed as the most stable center. The next one was the F$$_{2}$$ center (F$$_{n}$$V$$_{2}$$). F$$_{n}$$V$$_{3}$$ defects were not found in this study. F$$_{n}$$V$$_{4}$$ defects were probably detected as the F$$_{3}$$ center.

論文

The Carbon vacancy related EI4 defect in 4H SiC

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

Materials Science Forum, 645-648, p.399 - 402, 2010/00

耐放射線性半導体として期待される炭化ケイ素(SiC)の照射欠陥を電子常磁性共鳴(EPR)を用いて調べた。試料には半絶縁性の六方晶(4H)SiCを用い、2MeV電子線を室温にて照射した。照射後750$$^{circ}$$Cまでの熱処理を行うことで、今回対象とするEI4と呼ばれる照射欠陥の濃度を増加させた。$$^{29}$$Si及び$$^{13}$$Cの超微細相互作用を調べることでEI4の構造同定を試みた。EI4がC$$_{1h}$$対称性を有することと、熱処理による挙動も併せて解釈することで、EI4が二つの炭素空孔と炭素アンチサイトが複合化し、中性を示す欠陥(V$$_{C}$$V$$_{C}$$C$$_{Si}$$$$^{0}$$)であることを見いだした。EI4の生成メカニズムに関しては、熱拡散したシリコン空孔に炭素が入り込むことで、炭素空孔と炭素アンチサイトペアを生成し、それが別の炭素空孔と複合化することで解釈できる。

論文

Metastable defects in low-energy electron irradiated n-type 4H-SiC

Beyer, F. C.*; Hemmingsson, C.*; Pedersen, H.*; Henry, A.*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; Janz$'e$n, E.*

Materials Science Forum, 645-648, p.435 - 438, 2010/00

炭化ケイ素(SiC)半導体へ電子線を照射することで発生する欠陥に関して、DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)を用いて調べた。n型六方晶(4H)SiCに200keV電子線を照射したところ、Z1/2, EH6/7, EH1及びEH3と呼ばれる欠陥が観測された。さらに、照射した試料へ650Kまでの熱処理をしたところ、EH1及びEH3が消失すると同時に、新たに、EBセンターと名付けられた欠陥群が発生することが観察された。200keV電子線がSiC中の炭素のみをはじき出すことを考慮すると、今回観察された欠陥は、すべて炭素起因であると言える。

論文

Identification of the gallium vacancy-oxygen pair defect in GaN

Son, N. T.*; Hemmingsson, C. G.*; Paskova, T.*; Evans, K. R.*; 碓井 彰*; 森下 憲雄; 大島 武; 磯谷 順一*; Monemar, B.*; Janz$'e$n, E.*

Physical Review B, 80(15), p.153202_1 - 153202_4, 2009/10

 被引用回数:34 パーセンタイル:20.41(Materials Science, Multidisciplinary)

耐放射線性半導体デバイスとして応用が期待される窒化ガリウム(GaN)中に、電子線照射により発生する欠陥を電子スピン共鳴(ESR)により調べた。2MeV電子線を1$$times$$10$$^{19}$$/cm$$^{2}$$照射することで欠陥を導入したGaNに対し、77KでESR測定を行ったところ、D1からD4までの4種類の欠陥に起因するESRシグナルが観測された。このうちD2について、$$^{14}$$Nの超微細相互作用を詳細に調べたところ、Nサイトを置換した酸素とGa空孔のペア複合欠陥であり、その電荷状態がマイナスであることが判明した。

論文

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:56.91(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。

論文

Photo-EPR study of vacancy-type defects in irradiated ${it n}$-type 4${it H}$-SiC

梅田 享英*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; 磯谷 順一*

Materials Science Forum, 600-603, p.409 - 412, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)半導体中の固有欠陥については、電子常磁性共鳴(EPR)及び第一原理計算の手法を用いて微視的構造が解き明かされつつあるが、それらの電子準位はほとんどわかっていないのが現状である。そこでわれわれは、SiC半導体の中でもデバイス応用が最も期待されている六方晶SiC(4${it H}$-SiC)に着目し、基本的な点欠陥であるSi単一空孔($$V$$si),C単一空孔($$V$$c),二重空孔($$V$$si$$V$$c)等の電子準位を明らかにするため、窒素ドープn型及びホウ素ドープp型4${it H}$-SiC単結晶に3MeV電子線を高温(600$$sim$$800$$^{circ}$$C)で照射して点欠陥を導入し、キセノンランプとモノクロメータを使って単色化した光を試料に当てながらEPR測定を行う、いわゆる光EPR測定を実施した。この結果、$$V$$si$$^{-}$$, $$V$$c$$^{-}$$, $$V$$si$$V$$c$$^{0}$$に関与するEPR信号強度がエネルギー領域0.90$$sim$$1.25eVの範囲で光照射により増大することが見いだされ、これらの欠陥の電子準位が伝導帯下端から0.90$$sim$$1.25eV範囲に存在することが示唆された。本論文では、光励起による欠陥の荷電状態の変化を考慮しながら、上記固有点欠陥の電子準位について実験・理論両面から探求する。

論文

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。

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