はじめに
希土類量子デバイスプロジェクトでは、窒化物などの半導体に注入した希土類元素を量子ビットや単一光子源として制御する量子デバイスを開発し、オンチップ量子もつれ光源の実現に向けた研究や新たな量子センシング手法の開発を推進しています。
単一光子源・量子もつれ光源の開発
原理的に盗聴・解読が不可能な量子暗号・通信の実現には、光子1個をオンデマンドで生成する技術が必要となるが、現時点では室温で電気的に制御可能な光通信波長帯（近赤外）の単一光子源は存在せず、その開発が望まれています。窒化ガリウム(GaN)半導体にドープしたネオジム(Nd)やエルビウム(Er)は、室温でも安定して近赤外・狭線幅の発光を示す上、電子デバイス化することで電流注入発光による発光が得られるため、電気駆動型単一光子源への応用が期待できます。しかし、発光レート（輝度）は他の単一光子源候補（量子ドット等）と比較すると劣っているという課題があります。本研究では、室温・狭線幅・近赤外の単一光子源を実現するため、GaNフォトニック結晶(PhC)やナノ構造とイオン注入した希土類の光学的結合により自然放出レートを向上させ、希土類単一光子源の開発を進めています。
希土類量子センサーによる窒化物半導体デバイス内部の計測
固体結晶中の点欠陥や不純物元素におけるスピン共鳴や発光を利用して、周辺の温度、磁場、電場などを計測する手法は「量子センシング」とよばれ、ナノスケールの空間を高感度に計測できる技術として高い注目を浴びています。エレクトロニクス分野においては、デバイス中に量子センサを導入することで、デバイス内部の局所的な状態をリアルタイムで計測し、異常や故障の検出へと活用することが期待されます。しかし、これまで提案されている量子センサの母材料は、ダイヤモンドや炭化ケイ素が主であり、同じワイドギャップ半導体である窒化ガリウム(GaN)では報告されていません。本研究では、新たな量子センサとしてGaNにドープした希土類元素を提案しており、そのセンシング手法の開発を進めています。
