(57)【要約】【課題】ドナーの核スピン状態を読み取ること。【解決手段】結晶性のフローティングゲート領域に配置したドナーに、特定の核スピン状態にのみ共鳴する単色光を照射し、ドレイン電流の変化を検出することで解決する。【選択図】図１
2009272518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性のフローティングゲート領域（１）と、
領域（１）に配置されたドナー（２）と、
ゲート電極（３）と、
ショットキー電極（４）と、
チャネル領域（５）を備え、
フローティングゲート領域（１）にはドナー（２）と同一の原子種は一つしか含まれておらず、
フローティングゲート領域（１）とショットキー電極（４）の間にデバイスの動作温度での熱キャリアは通過できないが、ドナー（２）に形成された束縛励起子が崩壊する際に放出されるオージェ電子は通過できるショットキー障壁を有し、
フローティングゲート領域（１）のその他の部分は電気的に他の部分と絶縁されており、
かつ、フローティングゲート領域１内の一電子分の電荷変化により生じるチャネル領域（５）の電気伝導度を検出する機構（７）を有した
デバイス（８）
を用いた核スピンの読み取り方法であり、
ドナー（２）を中性状態とするステップと、
中性ドナー状態から束縛励起子への遷移エネルギーが中性ドナーを構成する粒子のスピン状態により異なるようにする磁場を印加するステップと、
デバイス（８）にドナー（２）が特定の核スピン状態の場合のみ束縛励起子形成が行われるような単色光（９）を照射するステップと、
照射によりチャネル領域（５）の電気伝導度が変化したかを判定するステップ
を含むことを特徴とする核スピンの読み取り方法。
【請求項２】
請求項１に記載のドナーの原子種が、リンであることを特徴とする核スピンの読み取り方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子コンピュータや量子メモリ等の量子情報処理に関係するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子情報処理技術とは、一個の核スピン等の量子状態を、計算や記録などの情報処理に利用する技術である。量子状態を用いて情報処理を行うには、量子状態がどのような状態になっているかを読み取る技術が不可欠である。
【０００３】
半導体の不純物原子がもつ核スピン、特に単結晶シリコン中のリンなどのドナー不純物がもつ核スピンは、その情報保持時間の長さや、従来型電子回路技術との整合性のよさなどから、量子情報処理用として非常に着目されている系である。しかし核スピンは、状態の読み取りが非常に困難であるという性質を持つ。現時点でも、核スピン状態を読み取る技術はＮＭＲ（核磁気共鳴）として実用化されている。しかし、この方法の場合、１０の１０乗を超えるような多数の核スピンからなる集団からしか状態を読み取ることができない。量子情報処理を行うためには、一個の核スピンの状態を読み取る必要がある。
【０００４】
（Ｆｕの方法）
Ｆｕらは、非特許文献１において、ドナー不純物が形成する束縛励起子を利用して核スピンを読み取る方法を開示した。これは以下のような原理に基づくものである。ドナーは室温近傍では電子を結晶に供給することでイオン化している。半導体の温度を下げていくと、ドナーから電子を引き離すためのエネルギーが十分得られなくなり、図４のように、電子（４０２）がドナー（４０１）にまとわりついた状態となる。これを中性ドナー状態と呼ぶ。この状態には、ドナー原子が一つと、伝導帯の電子が一つ存在する。
【０００５】
低温でドナーが形成する別の状態が、束縛励起子と呼ばれるものである。これは図５のように、二つの電子（５０２）と一つの正孔（５０３）がドナー（５０１）にまとわりついた状態である。
【０００６】
中性ドナー状態も、束縛励起子状態も、結晶中に固定されたドナーに束縛された状態である。したがって、ともに結晶内での運動の自由度を持たない。ただし、両者ともに構成粒子のスピン状態の違いにより、いくつかの異なった内部状態をとることができる。各粒子が取りうる状態の数は、粒子により異なる。スピン状態は、スピン量子数と呼ばれる整数もしくは半整数の値で指定することができる。
【０００７】
電子を例にとれば、とりうるスピン量子数は＋１／２と−１／２の二種類、正孔であれば＋３／２、＋１／２、−１／２、−３／２の４種類、原子核は核種によって異なり、たとえばリンであれば＋１／２と−１／２の二種類、ヒ素であれば＋３／２、＋１／２、−１／２、−３／２の４種類である。
【０００８】
束縛励起子状態には２つの電子が含まれる。ところが、この二つの電子は、必ず反平行状態をとるため、電子スピンに起因する状態の自由度は存在しない。したがって、束縛励起子状態であれば正孔とドナー原子核のスピン量子数、中性ドナー状態であれば電子とドナー原子核のスピン量子数で、それぞれの系の状態を指定することができる。
【０００９】
原子核がリンのようにスピン１／２の粒子である場合には、束縛励起子状態には図６に示す８種類の状態があり、中性ドナー状態には図７に示す４種類の状態がある。本明細書では、説明の都合上、各状態にＵ１，  Ｕ２，  Ｕ３，  Ｕ４，  Ｕ５，  Ｕ６，  Ｕ７，  Ｕ８，  Ｄ１，  Ｄ２，  Ｄ３，  Ｄ４と名称を付ける。この状態のうち、Ｕ１，  Ｕ３，  Ｕ５，  Ｕ７，  Ｄ１，  Ｄ３の６状態がドナー原子核スピン量子数＋１／２状態であり、Ｕ２，  Ｕ４，  Ｕ６，  Ｕ８，  Ｄ２，  Ｄ４の６状態がドナー原子核スピン量子数−１／２状態である。
【００１０】
異なった内部状態を持つ系は、異なったエネルギーを持ちえる。図８は、束縛励起子状態および中性ドナー状態に磁場を印加した場合の、系のエネルギーのスピン状態および磁場強度依存性を示したものである。ここで以下の点に注目する。４つの中性ドナー状態｛Ｄ１，  Ｄ２，  Ｄ３，  Ｄ４｝は、ゼロ磁場の場合を除き、すべて異なるエネルギーも持つ。つまり、系のエネルギーは核スピン量子数に依存する。一方、束縛励起子状態では、正孔が同じスピン量子数を持つ組（Ｕ１とＵ２，  Ｕ３とＵ４，  Ｕ５とＵ６，  Ｕ７とＵ８）は、それぞれ同じエネルギーを持つ、つまり、系のエネルギーは核スピン量子数に依存しない。
【００１１】
この違いは、超微細相互作用と呼ばれる、原子核スピンと電子等のスピンとの相互作用に起因する。この超微細相互作用は、電子の場合に大きく、正孔の場合に無視できるという性質を持つ。束縛励起子状態にも電子は含まれているが、２つの電子が常に反平行を向いているために、その影響が打ち消されている。したがって、束縛励起子状態では、超微細相互作用が観測されない。一方、中性ドナー状態には、電子が１つのみ含まれているために、超微細相互作用が観測される。中性ドナー状態における超微細相互作用によるエネルギー差は約５００ｎｅＶであり、これは極めて弱い磁場の場合を除き、外部磁場強度に依存しない。
【００１２】
中性ドナー状態と束縛励起子状態の２状態は、単一光子の吸収・放出により互いに直接的に遷りあうことができる。すなわち、中性ドナー状態に光子を吸収させれば束縛励起子状態にすることができるし、束縛励起子状態は光子を放出することで中性ドナー状態になることができる。
【００１３】
この光学遷移中、核スピンの変化はほとんど起こらない。また、系全体の角運動量変化は、変化しない、＋１変化する、−１変化する、の３種類しか起こらない。結果として、図９の矢印線に示す１２種類の遷移だけが現れる。
【００１４】
これら、遷移の際に関与する光子のエネルギーは、光子のみが関与する遷移の場合には、エネルギー準位の差に一致する。したがって、中性ドナーおよび束縛励起子に磁場をかけることで生じたエネルギーの違いは、この遷移に関与する光子のエネルギーの違いとして現れる。磁場強度に対するエネルギーの変化を図１０に示す。この図から明らかなように、２０ｍＴ程度以上の磁場を印加した状態では、１２種類の遷移はすべて異なるエネルギーを持つ。ここでドナー原子の核スピン量子数が＋１／２のものを実線で、−１／２のものを点線で示した。このように、ドナー原子の核スピン量子数の違いは、光子のエネルギーの違いとして区別することが可能である。
【００１５】
Ｆｕらが開示した核スピンの読み取り方法は、この遷移に関与する光子エネルギーの核スピン依存性を、放出側で利用するものである。具体的には、フォトルミネッセンス法と呼ばれる技術に基づく。図１１に示すように、この方法ではまず結晶にバンドギャップよりも大きなエネルギーをもつ光を照射し、中性ドナーとは独立に自由な電子・正孔対を形成する。この電子正孔対は励起子を形成し、さらに中性ドナーにトラップされることで束縛励起子状態を形成する。束縛励起子状態は不安定であり、短時間に崩壊する。この崩壊の経路にはいくつかあり、その中に光子のみを放出して直接中性ドナー状態になるものがある。このときに放出される光子のエネルギーは核スピンに依存しているから、このエネルギーを調べることで核スピン状態を知ることができる。
【００１６】
一方、Ｔｈｅｗａｌｔらは、非特許文献２において、同じ遷移の光子エネルギーの核スピン依存性を利用し、別の方法で核スピンが読み取り可能であることを示した。この方法を、図１２を用いて説明する。
【００１７】
Ｔｈｅｗａｌｔの方法では、ドナーが最初に中性状態に置かれており、ここにレーザーを照射することで束縛励起子状態を生成する。光を照射し、束縛励起子状態を生成する点では、Ｆｕらの方法と同一であるが、Ｔｈｅｗａｌｔの方法では、光のエネルギーを厳密に制御する点が異なる。供給される光子のエネルギーが、ある準位間隔に一致する場合、その状態間遷移だけが発生し、エネルギーがかけ離れた準位間の遷移は発生しない。そこで、スペクトルの線幅が、系が取りうる準位間隔よりも狭い単色光を用いれば、特定の準位間の遷移だけを起こすことが可能になる。今考えている中性ドナーと束縛励起子間の１２種類の遷移は、十分な磁場のもとですべてエネルギーが異なり、かつ各遷移で核スピンの向きは決まっている。したがって、あらかじめ１２種類の遷移のエネルギーと核スピンの向きの関係を調べておき、その中の一つに相当するエネルギーをもつ単色光を照射することにより、特定の核スピンの中性ドナー状態のみを束縛励起子状態に遷移させることができる。これ以外の中性ドナー状態からは、遷移が発生せず、中性ドナー状態にとどまる。
【００１８】
生成された束縛励起子状態は、短時間に崩壊する。この崩壊の過程のうちＴｈｅｗａｌｔの方法では、オージェ過程とよばれるものを利用する。オージェ過程では崩壊の際に光子は放出されず、電子・正孔対消滅に伴い放出されるエネルギーが電子に受け渡される。このエネルギーは１ｅＶ程度であり、ドナーによる束縛エネルギーの数十倍であるために、エネルギーを受け取った電子はドナーから飛び出す。この電子をオージェ電子とよぶ。オージェ過程が起こると結晶中にオージェ電子が放出され、残されたドナーはイオン化する。このオージェ過程は、束縛励起子状態の崩壊過程でもっとも発生確率が高いものであり、９９％以上がこの過程をへて崩壊する。
【００１９】
オージェ過程による電子放出とドナーのイオン化は、結晶の電気伝導度を変化させる。したがって結晶に二つの電極をとりつけ、電極間に電圧を印加しておき、そこに流れる電流をモニターすることで、束縛励起子生成にともなうオージェ過程が発生したかを知ることができる。
【非特許文献１】Ｋａｉ−Ｍｅｉ  Ｃ．  Ｆｕ，  Ｔ．  Ｄ．  Ｌａｄｄ，  Ｃ．  Ｓａｎｔｏｒｉ，  ａｎｄ  Ｙ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ６９，１２５３０６，  ２００４
【非特許文献２】Ｍ．Ｌ．Ｗ．  Ｔｈｅｗａｌｔら，  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  １０１，  ０８１７２４（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
Ｆｕらが開示した方法では、束縛励起子を生成するために強いポンプ光を照射せねばならない。一方、シグナルが検出できるのは、束縛励起子が光子を放出して崩壊した場合のみである。この光子放出のみをともなう崩壊を起こす確率は、バルク結晶の場合０．０２％以下である。Ｆｕらは、フォトニック結晶などを用いて、この確率を引き上げる方法を開示しているが、たとえ高性能なフォトニック結晶を用いても１０％程度までしか確率をあげることができない。なお、照射されたポンプ光のうち数十％は、結晶表面等で反射され、励起子生成に寄与しない。Ｆｕらの方法では、シグナルが光の形で放出されるため光検出を行わなければならない。しかし、この結晶表面等で反射されたポンプ光が大きなバックグラウンドとなり、シグナル光の検出を困難にする。また、微弱なシグナル光を捕捉するために高感度のディテクタが必要である。しかし、ドナーを置く結晶としてシリコンを利用した場合、この波長は１０７８ｎｍ前後となり、高感度のディテクタの入手が極めて困難である。また、微弱な光から、核スピンの違いを見極めるために、高精度分光を行うことも困難である。したがって、Ｆｕらの方法では、単一のドナーからの核スピン情報を読み取ることは困難である。
【００２１】
Ｔｈｅｗａｌｔらが開示した方法では、主たる崩壊経路であるオージェ過程のシグナルを電気的に検出する。したがって、Ｆｕらの方法のもつ問題点の多くが解決されている。しかし、彼らの方法では、電流がオージェ過程により発生するキャリアに直接依存しているために、ドナーの量が減少するに従ってシグナルが大幅に弱くなる。たとえば、ドナーが一個だけの場合、放出されるオージェ電子はただ一個であり、イオン化するドナーもただ一個である。したがって、構造をもたない結晶にふたつの電極をつけただけの単純な構造では、これを検出することは困難である。Ｔｈｅｗａｌｔらも、この問題点を認識しており、非特許文献２において、単一ドナーの情報を読み取るためには、電界効果トランジスタないしは単一電子トランジスタの利用が考えられると述べているが、実際には具体的なデバイス構造や読み取り手順等は開示していない。
【００２２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、シリコン等の半導体結晶中の一個のドナー原子核のスピン状態を読み取るための方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記従来の課題を解決するために、本発明では、結晶性のフローティングゲート領域１と、
領域１に配置されたドナー２と、
ゲート電極３と、
ショットキー電極４と、
チャネル領域５を備え、
フローティングゲート領域１にはドナー２と同一の原子種は一つしか含まれておらず、
フローティングゲート領域１とショットキー電極４の間にデバイスの動作温度での熱キャリアは通過できないが、ドナー２に形成された束縛励起子が崩壊する際に放出されるオージェ電子は通過できるショットキー障壁を有し、
フローティングゲート領域１のその他の部分は電気的に他の部分と絶縁されており、
かつ、フローティングゲート領域１内の一電子分の電荷変化により生じるチャネル領域５の電気伝導度を検出する機構７を有した
デバイス８
を用いた核スピンの読み取り方法であり、
ドナー２を中性状態とするステップと、
中性ドナー状態から束縛励起子への遷移エネルギーが中性ドナーを構成する粒子のスピン状態により異なるようにする磁場を印加するステップと、
デバイス８にドナー２が特定の核スピン状態の場合のみ束縛励起子形成が行われるような単色光９を照射するステップと、
照射によりチャネル領域５の電気伝導度が変化したかを判定するステップを行うことにより上記課題を解決する。特に、ドナー２をリンとする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の方法により、一個のドナーの核スピン状態を読み取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に用いるデバイスの構造を示したものである。ただし、内部構造の説明のため、デバイスの一部を切断した状態を示す。なお、切断していない状態を図３に示す。
【００２７】
本デバイスは、フローティングゲート領域（２０１）、核スピン読み取り対象のドナー（２０２）、絶縁層１（２０３）、絶縁層２（２０４）、ショットキー電極（２０６）、ゲート電極（２０７）、チャネル領域（２０８）、ソース（２０９）、ドレイン（２１０）の各要素で構成されている。
【００２８】
（核スピン読み取り対象のドナー２０２）
ドナー２０２は、核スピンを読み取る対象のドナーである。
【００２９】
（ドナー原子種）
読み取り対象がドナーとして振舞うために、それが置かれる位置の結晶の種類を考慮して原子種を選択しなければならない。シリコン結晶の場合、１５族の元素、たとえばリン、砒素、アンチモンなどがドナーとして振舞う。これらドナー元素はすべて核スピンを持つ。原理的には本発明の方法でいずれの元素からも核スピンを読み取ることができる。ただし、リン以外の元素は、スピンが１以上の値をとるため、量子情報処理にはあまり向かない。そこで本実施の形態では、リンを想定する。
【００３０】
（フローティングゲート領域２０１）
フローティングゲート領域（２０１）は、絶縁層１（２０３）、絶縁層２（２０４）および選択的絶縁層（２０５）により、その他の領域と隔離された領域である。これら絶縁膜により、リセット動作のための電圧印加を行わない限りは、その他領域からデバイス動作温度における熱キャリアが流入したり、逆にそれら領域に流出しないようになっている。つまり、この領域は、リセット動作以外は、熱キャリアに対して電気的に浮遊状態となっている。
【００３１】
（フローティングゲート領域の材質）
本発明においては、この領域がＮ型もしくは中性、ないしは読み取り時に反転状態とすることができるＰ型の結晶性シリコンである必要がある。これは、核スピンの読み取りのために必要な中性ドナーからの束縛励起子の単色光による生成過程が、Ｎ型もしくは中性、ないしは反転状態にあるＰ型の結晶性シリコンでしか起こらないからである。反転状態とするには、フローティングゲートにそれが起こるような電圧を印加しなければならず、制御が難しい。また、本発明が利用する、キャリア凍結が起こる低温領域では、わずかな不純物濃度差によりＮ型もしくはＰ型となるため、中性状態を実現するのは容易ではない。したがって、Ｎ型領域とすることが最も容易である。本実施の形態ではＮ型とする。
【００３２】
（フローティングゲート領域をＮ型とするためのドーパント）
フローティングゲート領域をＮ型とするためには、ドナー不純物をドープしなければならない。ただしフローティングゲート領域内に、核スピン読み取り対象のドナーと同一原子種で、かつ読み取り対象でないドナーが存在すると、読み取りエラーの原因となる。そこで、このフローティングゲート領域をＮ型とするためのドナーとしては、核スピン読み取り対象のドナー不純物とは異なる原子種を用いる。たとえば、核スピン読み取り対象のドナーをリンとした場合、砒素ないしはアンチモンを用いてこの領域をＮ型とする。
【００３３】
（フローティングゲート領域内の核スピン読み取り対象のドナー数）
フローティングゲート領域内には、核スピン読み取り対象のドナーを一個配置する。これ以外の同種のドナーは、フローティングゲート領域内から排除する。
【００３４】
（フローティングゲートの大きさ）
本発明では、核スピン読み取り対象のドナーを核として、束縛励起子が形成される。このとき、ドナーが含まれる結晶の大きさが、束縛励起子よりも小さい場合には、いわゆる励起子の閉じ込め効果が現れ、内部状態が変化してしまう。この効果をさけるために、核スピン読み取り対象のドナーが存在する結晶の大きさは、２０ｎｍ以上の単結晶であることが好ましい。なお、この結晶サイズの要求は、核スピン読み取り対象のドナーが存在する結晶に対してのものであり、フローティングゲート領域全体が単一の単結晶であることを要求しない。つまり、別の結晶粒がフローティングゲート領域内に存在してもよい。
【００３５】
（絶縁層１）
絶縁層１は、ゲート電極とフローティングゲート領域との間で、自由な電荷の移動を妨げるように形成された領域である。この領域は、デバイス動作時にこの層を通じたキャリア移動が起こらないようにする。数ナノメートル以上の厚みをもつシリコン酸化膜や窒化膜を用いることで、その要求を満たすことができる。
【００３６】
（絶縁層２）
絶縁層２は、チャネル領域とフローティングゲート領域との間で自由な電荷の移動を妨げるように形成された領域である。この領域も絶縁層１同様、デバイス動作時にこの層を通じたキャリア移動がおこらないようにする必要がある。ただし、この絶縁層は、チャネル領域と隣接することになるので、熱酸化膜など、キャリアトラップの少ないものを利用することが好ましい。
【００３７】
この層は、薄いほどチャネルがフローティングゲート領域の電荷変化の影響を受けやすくなるため、検出感度の点からは好ましいが、あまり薄くなるとトネリング現象によりチャネルとフローティングゲート間でキャリアの移動が生じる。トネリング現象は２ナノメートル以下で顕著となる。したがって、絶縁層２の厚みは、２ナノメートル以上で１０ナノメートル以下としておくことが好ましい。
【００３８】
（ショットキー電極）
ショットキー電極は、フローティングゲート領域１とショットキー性の接合となる材質からなる電極である。このショットキー接合の障壁高さが以下の条件をみたすように材質を選択する。
【００３９】
（条件１：熱的キャリアの移動制限）
ショットキー電極とフローティングゲート領域の間では、そのデバイスが動作している温度域において存在するキャリア、つまり熱的キャリアが自由に移動できてはならない。核スピン読み取りのために本デバイスは、キャリア凍結温度域で動作させる。つまり１００Ｋ程度以下の温度で動作させる。この温度の熱的キャリアは、１０ｍｅＶ程度のエネルギーを持つから、ショットキー接合はこの値以上の障壁を有さなければならない。
【００４０】
（条件２：オージェ電子の移動を妨げないこと）
本発明の核スピンの読み取り方法では、フローティングゲート内のドナーのイオン化が、核スピンに依存して実行できることを利用する。このイオン化が、チャネル領域の電位を変化させ、ひいてはドレイン電流を変化させる。実際に検出を行うのは、このドレイン電流の変化である。したがって、検出に十分なチャネル領域の電位の変化が得られなければならない。
【００４１】
フローティングゲート領域にあるドナーに束縛励起子が形成され、それがオージェ過程により崩壊すると電子が放出され、ドナーがイオン化する。しかし、このオージェ過程より放出された電子が、狭いフローティングゲート領域にとどまれば、チャネル領域における電位変化は微小である。また、電子が冷却されることで、容易にドナーに再捕獲されてしまう。したがって、チャネル領域での十分な電位変化を得、かつドナーによる電子の再捕獲を抑制するために、フローティングゲート領域に放出されたオージェ電子は外部に引き抜かれなければならない。ショットキー電極は、このオージェ電子の引きに利用される。
【００４２】
オージェ電子は、約１ｅＶのエネルギーを持っている。したがって、ショットキー接合の障壁が１ｅＶ以下であれば、オージェ電子は自由にフローティングゲート領域からショットキー電極に移動することができる。
【００４３】
先ほどの、熱的キャリアの移動制限条件とあわせ、１０ｍｅＶ以上、１ｅＶ以下のショットキー障壁をフローティングゲート領域の伝導帯に対して持つ必要がある。
【００４４】
（ショットキー電極の材質）
このような障壁高さを持つ物質として、ＰｔＳｉ，  Ｐｔ２Ｓｉ，  ＭｎＳｉ，  Ｐｄ２Ｓｉ，  Ｃｏ２Ｓｉ，  ＮｉＳｉ，  Ｎｉ２Ｓｉ，  ＨｆＳｉ２，  ＷＳｉ，ＴａＳｉ２，  ＺｒＳｉ２，  ＴｉＳｉなどを利用することができる。
【００４５】
（ゲート電極２０７）
この電極は、フローティングゲートの電位を制御するために、外部電源に接続されるものである。通常のフラッシュメモリ同様、ドープドポリシリコンで構成することができる。
【００４６】
（チャネル領域）
チャネル領域は、電位の変化により電気伝導度が変化するように構成された領域であり、この領域を介してドレインからソースに電流が流れる。電位の変化により電気伝導度が変化するような性質を持つものであれば、何を用いてもよい。たとえば、ＧａＡｓ等の化合物半導体やカーボンナノチューブを用いることも可能ではある。ただし、フローティングゲートを単結晶シリコンとした場合、最も製造しやすいのが、ＭＯＳチャネルである。本実施の形態ではＭＯＳチャネルを想定する。
【００４７】
また、ｎチャンネル型でも、ｐチャンネル型でもどちらでも発明の実施は可能であるが、移動度が高いチャネルほど、核スピン読み取りが容易になる。ここではｎチャンネル型として実施の形態を説明する。
【００４８】
（ソース領域）
ソース領域は、チャネル領域を流れた電流をデバイス外部に取り出すための領域である。チャネル領域としてシリコンｎ−ＭＯＳチャンネルを用いる場合には、ドナーをドープした半導体結晶、たとえば砒素をドープしたシリコンで形成する。ｐチャンネルの場合は、アクセプタをドープした半導体結晶、たとえばホウ素をドープしたシリコンで形成する。その他のチャネルの場合には、チャネル領域と外部回路の双方に良好な電気伝導を持つ材料で構成する。
【００４９】
この領域は、外部回路と電極を通じて接続される。
【００５０】
（ドレイン領域）
ドレイン領域は、デバイス外部からチャネル領域に電流を流し込むための領域である。チャネル領域としてシリコンｎ−ＭＯＳチャンネルを用いる場合には、ドナーをドープした半導体結晶、たとえば砒素をドープしたシリコンで形成する。ｐチャンネルの場合は、アクセプタをドープした半導体結晶、たとえばホウ素をドープしたシリコンで形成する。その他のチャネルの場合には、チャネル領域と外部回路の双方に良好な電気伝導を持つ材料で構成する。
【００５１】
この領域は、外部回路と電極を通じて接続される。
【００５２】
（デバイスの製造方法）
次に、図１３および図１４を用いて、デバイスの製造方法について述べる。
【００５３】
（ゲート酸化膜の形成）
まずシリコン基板（１３００）を熱酸化し、酸化膜を形成する（１３０１）。これが、絶縁層１となる。したがって、膜厚が絶縁層１に要求されるものとなるように酸化時間を調整する。膜厚は数ナノメートル、たとえば５ナノメートルとする。
【００５４】
（酸化膜のエッチング）
次にフォトリソグラフィーを用いて、部分的に下地のシリコン基板の結晶面を露出させる（１３０２）。ここでエッチングしなかった酸化膜領域を用いて、絶縁層１を形成する。したがって、この残す領域の大きさは、トランジスタで最終的に必要とされる絶縁層１の大きさよりも大きくしておく。
【００５５】
（ラテラルオーバーグロース）
ＣＶＤ装置を用い、露出させたシリコン基板表面からラテラルオーバーグロースを行い、酸化膜上に結晶性シリコン層を成長させる（１３０３）。ラテラルオーバーグロースとは、選択成長の一種で、ジクロルシランや塩化水素等エッチング性をもつガスを結晶成長時に炉に供給することで、酸化膜上での結晶核生成を阻害する一方、露出させた基板結晶から開始した結晶成長面を酸化膜上まで延ばすことで酸化膜上に結晶性半導体を成長させる手法である。
【００５６】
なお、この結晶がフローティングゲート領域となる。したがって、結晶成長時にドナー不純物を含む気体を炉に導入すると、結晶成長と同時にＮ型化を行うことができる。このＮ型化を行うためのドナーは、核スピン読み取り対象のドナーとは異なる原子種とする。核スピン読み取り対象のドナーがリンであれば、ヒ素を用いてＮ型化を行うことができる。砒素を含む気体として、アルシンを用いることができる。Ｎ型化を行う不純物としてリンを選択した場合には、フォスフィンを用いることができる。結晶成長時に同時ドープを行わない場合には、イオン注入により核スピン読取対象ではない原子種のドナー不純物を導入しＮ型とする。
【００５７】
（核スピン読み取り対象となるドナーの注入）
酸化膜上のシリコン結晶層に、核スピン読み取り対象となるドナーを一個イオン注入する（１３０４）。一個のドナーのみを注入するため、シングルイオン注入法を用いる。これは、特許文献（特許第２７３１８８６号）に記載されている技術である。つまり、注入イオンを収束イオンビームの状態としておき、かつチョッパでイオンが一個づつ基板に到達する状態で注入を行う。イオンが基板に到達したことは、到達の際に放出される二次電子を検出することで確認し、確認が行われたら、注入を停止する。シングルイオン注入法における注入位置制御精度は数十ｎｍ程度である。フローティングゲート領域の大きさは、数百ナノメーター角程度とすることができる。また、本発明のデバイスでは、フローティングゲート領域内でのドナーの位置を制御することは求められない。したがって、シングルイオン注入法の位置制御精度で、核スピン読み取り対象のドナー（２０３）を注入することができる。
【００５８】
（絶縁層２の形成）
熱酸化を行うか、絶縁層を堆積することで、シリコン結晶上に絶縁層２を形成する（１３０５）。
【００５９】
（ショットキー電極の形成）
フォトリソグラフィーとエッチングにより、絶縁膜を部分的に除去し、結晶性フローティングゲートを部分的に露出させる。その後、その露出部分にスパッタやＣＶＤ等を用いて、Ｃｏ２Ｓｉ等ショットキー接合となる電極を形成する（１４０１）。
【００６０】
（ゲート電極の堆積）
絶縁層２および選択的絶縁層上に、ポリシリコンを堆積させる（１４０２）。これはゲート電極となる膜である。堆積時に不純物を同時に供給し、ドープドポリシリコンとしてもよいし、アンドープの状態で成長させた後にイオン注入するとこで、ドープドポリシリコンとしてもよい。
【００６１】
（ゲートのエッチング）
フォトリソグラフィーとエッチングにより、ゲートとなる部分を残しエッチングを行い、ソース・ドレインとなる領域を露出させる（１４０３）。
【００６２】
（イオン注入）
ソース・ドレイン形成のため、不純物を注入する（１４０４）。その後、アニールを行うことで活性化させる。
【００６３】
ここまでの工程でメモリの能動部分は完成しているので、あとは絶縁膜堆積と、配線、パッケージングを行えば完成する。絶縁膜は通常のＩＣに用いられているものでよい。配線も通常のＩＣに用いられているＡｌやＣｕ等でよい。ただし、核スピン読み出し対象のドナーに単色光を照射できるようにする必要がある。したがって、ドナーがこれら金属で完全に囲われることのないようにし、光が通過できる間隙を設ける必要がある。なお、本発明で用いる単色光は、シリコン基板をほとんど自由に通過できるので、裏面から光を照射してもよい。その場合、表面に配線が密集しており光を通過できる間隙がなくても、裏面側から光がドナーに到達できればよい。
【００６４】
パッケージは、ドナーに単色光が到達できるように配慮する。パッケージの材質が単色光を透過するものであれば良い。また、パッケージ全体が単色光を透過する材質である必要はないから、光を通す部分にのみ透過性の窓を設けてもよい。
【００６５】
（システム構成）
本デバイスから核スピンを読み取るためには、本デバイス以外にいくつかの周辺装置が必要となる。これら周辺装置まで含めたシステムの構成を図１５に示す。
【００６６】
本システムは、デバイス（１５０１）の他に、電気回路（１５０２）、クライオスタット（１５０３）、磁場発生装置（１５０４）、単色光（１５０６）を照射するための光源（１５０５）、不要な光を遮断するための遮光体（１５０７）から構成されている。
【００６７】
（電気回路１５０２）
電気回路（１５０２）は、チャネルを流れる電流、すなわちドレイン電流の変化を検出する役割と、デバイスの各部分に印加する電圧を制御する役割を担当する。この回路は、核スピン読み取りのためのデバイスと同一基板に作成してもよいし、別基板に作成してもよい。
【００６８】
（ドレイン電流変化の検出）
本発明では、ドレイン電流の変化の検出により核スピンの読み取りを行う。したがって、電気回路は、この電流変化を検出する機能を有する必要がある。後述する式に従い、ドレイン電流の変化を見積もり、その変化を検出できるように回路を設計する。
【００６９】
（電圧制御）
本発明に用いるデバイスには、ゲート電極、オージェ電子引き抜き電極、ソース、ドレイン、基板の５端子が存在する。デバイスを正常に動作させるために、これら各端子に適切な電圧を印加する必要がある。なお、ソースおよび基板は、通常グラウンド電位でよいので、接地するだけでよい。
【００７０】
本発明の場合、基本的にデバイスに印加する電圧を動的に変動させる必要はない。ただし、ショットキー電極のみは、読み取り時とリセット時にそれぞれ異なる電圧を印加する必要がある。したがって、オージェ電子引き抜き電極に接続する電圧回路には、必要に応じて電圧を変えられる機構を与える。
【００７１】
（クライオスタット１５０３）
クライオスタット（１５０３）は、ドナーを中性化させるために冷却するための機構である。ドナーの中性化は、キャリア凍結領域で生じる。キャリア凍結は液体窒素温度（７７Ｋ）程度でも生じているが、あまり温度が高いと選択的共鳴を起こすことが難しくなるので、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）ないしは超流動ヘリウム温度（１．２Ｋ前後）程度まで冷却することが好ましい。デバイスをこのような温度域に冷却するためのクライオスタットは市販されており、たとえばオックスフォードインスツルメンツ社などから購入することができる。また、冷却には必ずしも液体ヘリウムを用いる必要はなく、ヒートポンプなどを用いてもよい。
【００７２】
（磁場発生装置１５０４）
磁場発生装置（１５０４）は、スピン量子数に応じたエネルギー準位を発生させ、特定の状態間の遷移だけを可能とするため必要な磁場を発生させるための装置である。図１０に示すように、  約２０ｍＴまでに各遷移エネルギーの交差があり、それ以上の磁場では各遷移エネルギーは分離する。約５０ｍＴ以上の磁場をかければ、電子や正孔のスピン量子数に起因するエネルギーの違いが、超微細構造によるエネルギーの違いを上回る。したがって、磁場発生装置に要求されるのは、最低２０ｍＴ、望ましくは５０ｍＴ以上の磁場を発生させる能力である。この磁場は、コイルに電流を流すことで発生させることができる。たとえば、二つの同じ直径、巻き数を用いるヘルムホルツ型コイルの場合、磁場強度Ｂ（ｍＴ）と、コイルの直径Ｄ（ｃｍ）、各コイルの巻き数Ｎ、電流Ｉ（Ａ）の関係は
Ｂ  ＝  ０．１８×Ｎ×Ｉ／Ｄ
となる。したがって、５０ｍＴの磁場は、たとえばＤ＝８ｃｍ、Ｎ＝１００、Ｉ＝２２Ａのコイルで発生可能である。この電流量であれば、常伝導コイルで扱うことが可能である。もちろん、超伝導コイルを用いてもよい。超伝導コイルであれば、最大数Ｔの磁場を発生させることのできるものが市販されている。本発明の場合、磁場強度の下限値は核スピン状態の識別可能条件により制限があるが、上限値については制限がない。したがって、数Ｔの磁場を発生させる超伝導コイルを用いて、本発明を実施してもよい。
【００７３】
図１５では、デバイス（３０１）およびクライオスタット（３０３）外に配置する方法を示した。この配置は必須ではなく、デバイス内にコイルを作りこんでおいて局所的に印加してもよい。また、磁場発生はコイルによらず、永久磁石を用いてもよい。たとえばネオジウム等の希土類磁石であれば、磁石の近傍において、１Ｔ程度の磁束を容易に得ることができる。しかし、永久磁石の場合、磁化率の変化による磁場強度の変化を生じ易いという問題を持つ。本発明では、磁場強度がずれると、共鳴する光の波長がずれてしまうために、磁場強度変化は好ましくない。その場合は、補助コイルを用いてその変化を補う、変化に追随して光の波長を調整するなどの対策が必要である。
【００７４】
（単色光光源１５０５）
本発明では、特定の核スピン状態のみに共鳴する光を照射し、中性ドナー状態から束縛励起子状態を生成する。したがって、光源３０５には、特定の核スピン状態のみに共鳴する光を発生する能力が必要である。
【００７５】
共鳴が生じるためには、中性ドナー状態のエネルギーと、束縛励起子状態のエネルギー差に相当するエネルギーの光子を供給しなければならない。
【００７６】
読み取りを行うまでは、中性ドナー状態がＤ１からＤ４の４つの状態のどれであるかは不明である。したがって、束縛励起子状態の共鳴生成を確実に得るためには、エネルギーの異なる光を最大４回照射しなければならない。
【００７７】
このため、それぞれ別々の光源を準備してもよいが、波長可変レーザーを用いれば装置が簡便になる。
【００７８】
（光の波長と可変範囲）
各状態間遷移のエネルギーおよび、それに対応する光の波長については、読み取り手順の説明で詳しく述べる。
中性ドナーと束縛励起子状態のエネルギー差は、約１．１５ｅＶであり、波長にして約１０７８ｎｍである。本発明では、特定の核スピン状態のみに共鳴して束縛励起子を生成するような光を照射しなければならない。共鳴が生じるまでは、中性ドナーはＤ１からＤ４のどの状態にいるのかは不明である。したがって、Ｄ１であることを仮定して光を照射して共鳴が起こらなければ、Ｄ２であると仮定しなおして光を照射するというように、Ｄ１からＤ４まで順次共鳴する状態を探さなければならない。それぞれの状態は異なった共鳴エネルギーを持つ。したがって、光源３０５には、共鳴する状態を見つけられるよう、エネルギー（ないしは波長）を可変的に制御する機構が必要である。可変範囲としては、プラスマイナス０．００５ｅＶ程度あればよい。
【００７９】
（単色性）
また、電子および正孔のスピンが同じで、核スピンのみ異なる遷移の組は、超微細相互作用に起因する５００ｎｅＶ程度のエネルギー差を持つ。したがって、この組の一方のみを選択的に生じさせるためには、光子のエネルギー広がり、すなわち単色性が、この超微細相互作用のエネルギーよりも狭くなければならない。
【００８０】
上記、波長の可変範囲、単色性を満たす光源としては、たとえばＹｂをドープした光ファイバーを活性領域として用いるファイバーレーザーをあげることができる。Ｙｂドープレーザーは、１０５５ｎｍ程度から１１００ｎｍ程度の範囲で発振することが可能である。また、ファイバーレーザーの単色性は、１００ｎｅＶ以下とすることが可能である。ファイバーレーザーの発振波長（エネルギー）は、ファイバーの両端に形成された反射層間の距離で決まっている。ファイバーの長さを、ペルチェ素子等によって熱的、ないしはピエゾ素子等を用いて物理的に変化させることで発振波長を制御することが可能である。この制御範囲が、数ミリｅＶ程度のものが実際に市販されている。したがって、Ｙｂファイバーレーザーは波長制御範囲と単色性という本発明の実施に必要とされる要件を満たしている。このタイプのレーザーは、従来の技術で紹介した、Ｔｈｅｗａｌｔらの実験でも用いられた。
【００８１】
ファイバーレーザー以外には、たとえば、外部共振器を持つ半導体レーザーなども利用可能である。化合物半導体の組成比を制御することにより１０５０から１１００ｎｍ程度の範囲で発振する半導体レーザーを作成することができる。単色性と波長制御は、回折格子を用いることで得ることができる。レーザーから出た光のうち、目的の波長をもつ光だけを回折させてレーザーに戻すことで、単色性の高い光を得ることができる。また、回折格子の角度を制御することで、波長を制御することもできる。このような外部共振器レーザーも市販されている。
【００８２】
また、単色性と波長制御性のみ満たされればよいので、光がレーザーである必要はない。たとえば、必要とする波長範囲をすべて含むような光を用意し、ファブリペロー干渉計などを利用して、そこから所望の光を抜き出して利用してもよい。フィネスの高いファブリペロー干渉計を用いることで、本発明に必要な単色性を得ることができるし、干渉計を構成するミラーの間隔をピエゾ素子等で制御することで、必要な波長制御を行うこともできる。
【００８３】
（遮光体１５０７）
本発明では、核スピン状態に依存して共鳴的に生成した束縛励起子崩壊の際に放出される電子により、フローティングゲート内の電荷が変化することを利用する。したがって、核スピン共鳴以外の原因によりフローティングゲート内の電荷変化を生じさせるようなキャリア生成が、フローティングゲート内で行われるとエラーが生じる。バンドギャップ程度以上のエネルギーを持つ光子が入射すると、キャリアである電子・正孔対が生成される。シリコンの場合、液体ヘリウム温度近傍では、１０５５ｎｍ程度のバンドギャップをもち、これより短い波長の光が入射するとキャリア生成が行われる。また、励起子を生成する過程であれば、１１００ｎｍ前後の波長でもキャリア生成が行われる。
【００８４】
これら光がダイオードを誤動作させないために、ダイオードを遮光体（１５０７）で取り囲む。この遮光体（１５０７）は、上記非共鳴的なキャリア生成を行う光を遮断するために用いられる。遮光体の材質として、たとえば金属を用いれば、１ｍｍ程度の厚みで十分遮断することができる。
【００８５】
本発明を実施するためには、核スピン状態に依存して選択的に束縛励起子生成を行うための光（１５０６）をデバイスに照射する必要がある。この光（１５０６）のみをデバイスに到達させるために、遮光体（１５０７）内部に選択的励起用光照射部を設ける、ないしは、遮光体（１５０７）の一部に選択的励起用光（１５０６）のみを通過させるバンドパスフィルターを取り付けるなどの措置をとる。照射部を遮光体内部に設ける方法としては、光源本体を遮光体の中に持ち込む方法の他に、光ファイバーを用い外部に配置した光源から励起光のみを内部に持ち込む方法が考えられる。
【００８６】
（読み取りを行うための準備）
本発明では、特定のスピン状態のみに共鳴する光を照射し、共鳴が起こるか否かでドナーの核スピン状態を読み取る。したがって、核スピンと共鳴が起こる光のエネルギーの対応関係をあらかじめ知っておく必要がある。これは以下のようにして調べることができる。
【００８７】
（光のエネルギーと核スピンの関係）
中性ドナー状態に単色光を照射した場合、光子のエネルギーが、光を照射された中性ドナーが取っている内部状態のエネルギーと、その内部状態から遷移可能な束縛励起子とのエネルギー差に一致する場合のみ共鳴が起こり、束縛励起子状態が形成される。
【００８８】
つまり、照射した光子のエネルギーが、中性ドナーと束縛励起子のエネルギー差に一致しない場合や、たとえ一致してもその中性ドナー状態からその束縛励起子状態への遷移が禁止されている場合には、束縛励起子状態は形成されない。
【００８９】
この共鳴的生成に必要なエネルギーは、以下のように定まっている。
【００９０】
（状態のエネルギーを構成する項）
中性ドナー状態や束縛励起子状態のように、角運動量を持つ粒子からなる複合粒子状態のエネルギーは、
Ａ項：  系の内部状態や外部磁場に依存しない項
Ｂ項：  系の内部状態と外部磁場に依存する項
Ｃ：項  系の内部状態のみに依存する項
の３つの項の和となる。
【００９１】
したがって、中性ドナーのＡ項をＥ１Ａ，  Ｂ項をＥ１Ｂ，Ｃ項をＥ１Ｃ、束縛励起子のＡ項をＥ２Ａ，  Ｂ項をＥ２Ｂ，Ｃ項をＥ２Ｃと置けば、
【００９２】
【数１】
2009272518.tif 000003
【００９３】
となる。
【００９４】
（Ａ：  系の内部状態や外部磁場に依存しない項）
（Ｅ１Ａ−Ｅ２Ａ）の値は、主にドナーが存在する半導体結晶のバンドギャップの値、結晶中でドナーがつくる準位の深さなどから定まる。この値は、結晶に印加する磁場強度や、構成粒子の角運動量状態などには依存しないが、各結晶、デバイスごとに若干異なる値をとりえる。この値は、リンの場合１．１５ｅＶ、砒素の場合は１．１４９ｅＶ程度となる。
【００９５】
（Ｂ：系の内部状態と外部磁場に依存する項）
これは、系を構成する各内部粒子が、磁気モーメントを持つことで現れる項である。強度Ｈの磁場の元で、磁気モーメントμは、
【００９６】
【数２】
2009272518.tif 000004
【００９７】
のエネルギーを持つ。一方、各粒子の磁気モーメントは、各粒子の角運動量Ｉに比例する。そこで、
【００９８】
【数３】
2009272518.tif 000005
【００９９】
と書くことができる。今、磁場が印加されている方向のスピン量子数をｍとすれば、このエネルギーは
【０１００】
【数４】
2009272518.tif 000006
【０１０１】
となる。
【０１０２】
ただし、比例係数を慣例に従い、各粒子の種類ごとに定める基準部分μｃｏｎｓｔと、そこからの補正部分ｇとの積で書いた。
【０１０３】
こちらも慣例に従い、電子や正孔の場合は、基準部分μｃｏｎｓｔとして、ボーア磁子
【０１０４】
【数５】
2009272518.tif 000007
【０１０５】
をとり、原子核の場合には基準部分μｃｏｎｓｔとして、核磁子
【０１０６】
【数６】
2009272518.tif 000008
【０１０７】
をとる。これらは物理定数である。
【０１０８】
ｇは、電子、正孔、原子核いずれの場合も、ｇ因子（ｇ−ｆａｃｔｏｒ）と呼ばれている。通常ｇ因子は０．５から２程度の値をとる。
【０１０９】
中性ドナー状態や束縛励起子状態のように、それぞれ角運動量を持つ粒子からなる複合状態の場合、系の持つＢ項は、各構成粒子のＢ項の和となる。ただし、ボーア磁子が核磁子よりも１０００倍以上大きいため、本発明のように電子や正孔と、原子核からなる複合状態では、原子核のＢ項を無視してよい。
【０１１０】
束縛励起子状態には、２個の電子が含まれている。しかし、この電子は必ず互いに反平行状態をとるために、磁気モーメントが打ち消されている。したがって、束縛励起子中の電子に起因するＢ項は０である。
【０１１１】
正孔は、３／２のスピンを持つため、＋３／２、＋１／２、−１／２、−３／２の四つの状態を取りえるが、＋３／２と−３／２の場合と、＋１／２と−１／２ではｇ因子の値が異なる。そこで前者のｇ因子をｇｈ３／２，
後者のｇ因子をｇｈ１／２と表記する。また、電子のｇ因子をｇｅと表記する。
【０１１２】
すると
【０１１３】
【数７】
2009272518.tif 000009
【０１１４】
【数８】
2009272518.tif 000010
【０１１５】
となる。ただし、ｍｅ，  ｍｈはそれぞれ、電子と正孔のスピン量子数であ。
【０１１６】
（Ｃ：系の内部状態のみに依存する項）
これは、系を構成する内部粒子間の相互作用に起因する項である。原理的には、すべての粒子の組でこの項が存在する。しかし、束縛励起子状態中の電子は、常に互いに反平行を向いているために、やはりこの項に寄与しない。したがって、束縛励起子状態においては正孔と原子核の相互作用、中性ドナー状態においては電子と原子核の相互作用がこの項の成分である。
【０１１７】
原子核と電子や正孔との相互作用は、超微細相互作用と呼ばれている。シリコン半導体において、電子はｓ軌道の性質を持つのに対し、正孔はｐ軌道の性質を持つ。この超微細相互作用は、ｓ軌道では大きいが、ｐ軌道では無視できる程度に小さいという性質を持つ。
【０１１８】
したがって、中性ドナー状態にはＣ項が存在するが、束縛励起子状態のＣ項は無視できる。
【０１１９】
本発明の場合には、超微細相互作用は、超微細相互作用定数Ａを用いて
【０１２０】
【数９】
2009272518.tif 000011
【０１２１】
と書くことができる。ただし、ｍＩはドナー原子の核スピン量子数である。
【０１２２】
なお、束縛励起子では超微細相互作用を無視できるので、
【０１２３】
【数１０】
2009272518.tif 000012
【０１２４】
である。
【０１２５】
以上をまとめると、中性ドナーから束縛励起子を生成するためのエネルギーは、
【０１２６】
【数１１】
2009272518.tif 000013
【０１２７】
となる。
【０１２８】
（遷移の許容、禁制）
中性ドナー状態から、光子のみを用いて束縛励起子状態を共鳴的に生成する場合、核スピンは変化しない。また、系の角運動量が２以上変化するような遷移も禁制されており生じることがない。結果として、Ｄ１からはＵ１，Ｕ３，Ｕ５への遷移、Ｄ２からはＵ２，Ｕ４，Ｕ６への遷移、Ｄ３からはＵ３，Ｕ５，Ｕ７への遷移、Ｄ４からはＵ４，Ｕ６，Ｕ８への遷移しか生じない。これら可能な遷移を許容遷移と呼ぶ。
【０１２９】
（遷移の同定）
中性ドナーから束縛励起子を生成するためのエネルギーの式に含まれる変数のうち、
Ｅ２Ａ−Ｅ１Ａ，  ｇｈ３／２，  ｇｈ１／２，  ｇｅ，  Ａの値は、デバイスの材質や構造などにより決まる量である。デバイスごとに若干異なる値を持つ可能性はあるが、個々のデバイスで固定された値をとる。これ以外の変数は、読み取りを行うものが自由に設定を行える値か、物理定数、もしくはいくつかの限られた数しかとらない。
したがって、これらＥ２Ａ−Ｅ１Ａ，  ｇｈ３／２，  ｇｈ１／２，  ｇｅ，  Ａの値を一旦求めてしまえば、すべてのエネルギーを計算できる。
【０１３０】
これらの値は、ＮＭＲやＥＳＲ、フォトルミネッセンス法、ＰＬＥ法などにより、別個に求めてもよい。ただし、これらの方法は、ある程度の数のドナーが含まれているバルクの結晶では容易に実行することができるが、デバイス内の一個のドナーに対して行うのは容易ではない。以下の方法であれば、デバイスを製造したのちに、各遷移のエネルギーを求めることができる。
【０１３１】
（遷移の同定方法）
２０ｍＴ程度までは、各遷移のエネルギーに交差がある。しかしこれより強い磁場においては、交差は無くなり、エネルギーが大きい順にＤ４からＵ４、Ｄ３からＵ３、Ｄ３からＵ６、Ｄ４からＵ８、Ｄ３からＵ７、Ｄ１からＵ１、Ｄ２からＵ２、Ｄ１からＵ３、Ｄ２からＵ４、Ｄ１からＵ５、Ｄ２からＵ６となる。
これら各遷移のエネルギーは、デバイスが同一であり、印加する磁場強度が一定であれば、再現する。したがって、あらかじめ一定の磁場のもとで、共鳴遷移が生じる複数のエネルギーを見つければ、その間隔から以下のようにしてＥ２Ａ−Ｅ１Ａ，  ｇｈ３／２，  ｇｈ１／２，  ｇｅ，  Ａの値を得ることができる。
【０１３２】
（Ｅ２Ａ−Ｅ１Ａおよび，  ｇｈ３／２，  ｇｈ１／２，  ｇｅの情報を得る方法）
一度中性ドナー状態から束縛励起子状態を生成すれば、その束縛励起子のほとんどはオージェ過程により崩壊し、イオン化したドナーが残される。しかし、このドナーが電子を捕獲することで再度中性ドナーとなる。ドナーが中性化すれば、再度束縛励起子の生成が可能となる。最初の束縛励起子の生成から、再度のドナー中性化の過程において、ほとんどの場合核スピンは変化しない。したがって、二度目に形成された中性ドナー状態の核スピン状態は、最初の中性ドナー状態の核スピン状態と同じである場合がほとんどである。そこで、最初の束縛励起子状態の共鳴的生成に用いた遷移とは別の遷移を利用して束縛励起子を生成すれば、遷移を決定しているｇ因子等の情報を得ることができる。
【０１３３】
各中性ドナー状態からは、それぞれ３種類の束縛励起子状態を共鳴的に生成することができる。これら各３種類の遷移はすべて許容であり、どの束縛励起子状態を選択するかは自由である。３種類の許容遷移は、
【０１３４】
【数１２】
2009272518.tif 000014
【０１３５】
および
【０１３６】
【数１３】
2009272518.tif 000015
【０１３７】
の間隔を持つ。したがって、これら３種類の許容遷移を比較することで、ｇｈ３／２とｇｈ１／２を決定することができる。また、いったんｇｈ３／２とｇｈ１／２がもとまれば、数１１に従って、Ｅ２Ａ−Ｅ１Ａおよびｇｅを求めることができる。
【０１３８】
（Ａの情報を得る方法）
超微細相互作用定数Ａについての情報を得るには、異なる核スピン状態からの遷移のエネルギーを観測し、比較することが必要になる。
これは、ある核スピン状態で遷移エネルギーを測定したのちに、核スピン状態を別のものとし遷移エネルギーを測定することで可能となる。
核スピンを別の状態とするのは、たとえば以下のような方法をとることができる。
【０１３９】
これまで印加してきた方向以外の磁場を印加すれば、核スピンは新たに印加した磁場の周りを歳差運動する。そこで、歳差運動をさせたのち、磁場の印加をもとの方向に戻せば、もともととは別の核スピン状態を得ることができる。そのように別の核スピン状態を得たのちに、中性ドナーから束縛励起子の生成のための遷移エネルギーを計測すれば、超微細相互作用定数に関する情報を得ることができる。
【０１４０】
また、マイクロ波の印加装置を有している場合、核磁気共鳴の原理を用いて核スピンを直接的に回転させることもできる。
【０１４１】
以上のように、単色光のエネルギーを変えながら、共鳴を順次みつけていけば、共鳴エネルギーを計算するに必要な情報を得ることができる。共鳴を起こすエネルギーは、以下の手順で見つけることができる。
【０１４２】
（ステップＡ１：中性化）
核スピンを読み取るために、まず核スピン読取対象のドナーの中性化を行う。これは周りに電子がいる状態で、デバイスをキャリア凍結領域まで冷却すれば行うことができる。フローティングゲート領域のドナーがイオン化している、つまり、フローティングゲート領域の電子が一つ足りない状況の場合、オージェ電子引き抜き電極と、フローティングゲート領域との間に、絶縁層３の障壁高さ以上の電位差を与え、電子を注入する。
【０１４３】
キャリア凍結は液体窒素温度（７７Ｋ）程度でも生じているが、あまり温度が高いと選択的共鳴を起こすことが難しくなるので、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）ないしは超流動ヘリウム温度（１．２Ｋ前後）程度まで冷却することが好ましい。
【０１４４】
（ステップＡ２：磁場印加）
次に、デバイスに所望の磁場を印加する。磁場印加は、スピン量子数に応じたエネルギー準位を発生させ、特定の状態間の遷移だけを可能とするために行う。図１０に示すように、  約２０ｍＴまでに各遷移エネルギーの交差があり、それ以上の磁場では各遷移エネルギーは明瞭に分離する。約５０ｍＴ以上の磁場をかければ、電子や正孔のスピン量子数に起因するエネルギーの違いが、超微細構造によるエネルギーの違いを上回る。したがって、５０ｍＴ以上の磁場を用いると選択的励起が容易になる。この磁場は、磁場発生装置（１５０４）により生成、印加する。なお、識別限界により定まる下限値より強い磁場であれば、どのような強度の磁場を印加してもかまわない。ただし、どのような強度の磁場を印加したかは測定し、記録しておく。
【０１４５】
なお、ステップ２は、ステップ１より前に実行してもかまわないし、ステップ３の後に実行してもかまわない。ただし、ステップ４以前に実行する必要がある。なお、ステップ１は必ずステップ３より前に実行する。
【０１４６】
（ステップＡ３：中性ドナー状態におけるドレイン電流の測定）
光を照射する前に、各電極の電圧を設定する。電圧の設定として要求されるのは
１：ソース・ドレイン間に電位差を与えること
２：フローティングゲート領域内の電荷量が一電子分変化した際に、ドレイン電流が変化するようにゲート電位を設定すること
３ショットキー電極と、フローティングゲート領域で自由な電荷移動が生じないようにすること
の３点である。
【０１４７】
１は、チャネルが形成された際に、ドレイン電流を流すために要求される事項である。通常、ドレイン側を高くする。電位差が少ないほどドレイン電流が小さくなるので、検出に必要とされるドレイン電流量が得られるように、電位差を設定する。
【０１４８】
２は、トランジスタの閾値電圧を基準として設定する。電界効果型トランジスタでは、ゲートに閾値電圧とよばれる電圧以上の電圧が与えられた場合のみドレイン電流が流れる。また、閾値電圧以上では、ゲート電圧に依存してドレイン電流量が変化する。本発明で用いるようなフローティングゲート型のトランジスタの場合、フローティングゲート領域に蓄積された電荷量により、実効的なゲート電位が変化するために、ゲート電極の電位が同じであってもドレイン電流が変化する。ただし、ゲート電極の電位が閾値電圧よりも極端に低い状態であれば、フローティングゲート領域内の電荷量が変化しても、実効的電位が閾値以下のままとなりえる。この場合、ドレイン電流が変化しない。閾値電圧はトランジスタの構造、不純物プロファイルなどにより異なる。そこで、デバイスを作成したのち、フローティングゲート領域の電荷量変化によりドレイン電流が変化することを確認できるゲート電位をあらかじめ探しておき、このステップではその電位を用いる。
【０１４９】
３は、電位差と、ショットキー障壁高さとの兼ね合いで値が決まる。つまり、ショットキー電極とフローティングゲート領域の電位差が、ショットキー障壁高さを超えないように電位差を設定する。
【０１５０】
このように電位を設定した状態で、ドナーが中性である状態のドレイン電流を測定しておく。
【０１５１】
（ステップＡ４：単色光の照射とドレイン電流変化の検出）
次のステップは、本発明のデバイスに単色光を照射し、共鳴の有無を確認することである。ただし、核スピン状態と共鳴が起こるエネルギーの関係が明らか出ない時点では、どのエネルギーで共鳴が生じるかわからない。そこで、共鳴が生じると思われる範囲で、単色光のエネルギーを変えながら共鳴を探す。共鳴を起こすエネルギーは、式１１で計算することができる。
【０１５２】
式中の各項の値は、デバイスにより若干変化する可能性があるが、
Ａ項は１．１５ｅＶからプラスマイナス０．００５ｅＶ程度であり、Ｂ項およびＣ項の変化は、通常このＡ項の不確定度より小さい。したがって、この範囲を調べればよい。
【０１５３】
共鳴は以下のように検出することができる。
【０１５４】
中性ドナー状態に単色光を照射し、それが束縛励起子状態の共鳴的遷移を引き起こすエネルギーを持っていた場合、束縛励起子が生成される。その束縛励起子は、９９％以上の確率でオージェ過程で崩壊する。オージェ過程が生じれば、オージェ電子が結晶中に放出される。このオージェ電子は、選択的絶縁層を超えることができるから、オージェ電子引き抜き電極により引き抜かれる。一方、熱的キャリアはフローティングゲート領域に侵入することができないから、束縛励起子とそのオージェ過程による崩壊がおこれば、フローティングゲート領域の電荷量が一電子分変化する。
【０１５５】
（フローティングゲート領域の電荷量変化とドレイン電流変化）
フローティングゲート領域は、図１６にしめすように４つの並列キャパシタと電気的に等価である。
【０１５６】
ゲート電極とフローティングゲート領域間の容量ＣＦＣ、フローティングゲート領域とソース領域との間の容量ＣＳ、フローティングゲート領域とチャネル領域との間の容量ＣＢ、フローティングゲート領域とドレイン領域との間の容量ＣＤとおき、ソース領域に対するゲート電極の電位をＶＧＳ、ドレイン領域の電位をＶＤＳ、とすると、フローティングゲート領域内に電荷Ｑが蓄積されている場合のドレイン電流ＩＤは、ＭＯＳチャネルの場合、
【０１５７】
【数１４】
2009272518.tif 000016
【０１５８】
である。
ただし
【０１５９】
【数１５】
2009272518.tif 000017
【０１６０】
とおいた。ただし、ＶＴは閾値電圧、βは電流パラメータとよばれるトランジスタの特性を示す量である。前者はどの程度のゲート電圧から電流が流れるか、後者はどの程度トランジスタが電流を流しやすいかを表す。ともに、トランジスタの構造、材質等で定まる。
【０１６１】
フローティングゲート内から電子が一つ失われれば、Ｑが一単位電荷ｅ分だけ変化する。したがって、ドレイン電流は、図１７のように
【０１６２】
【数１６】
2009272518.tif 000018
【０１６３】
だけ変化する。
【０１６４】
つまり、ドレイン電流の変化を検知すれば、フローティングゲート領域の電荷が変化したことを検知できる。つまり、ドナーが照射した単色光により共鳴遷移があったと判断できる。
【０１６５】
一方、遷移が生じない場合、束縛励起子が形成されないから、ドナーは中性のままである。したがって、ドレイン電流は光照射前のままとなり、変化しない。よって、単色光照射によるドレイン電流変化の有無の確認により、中性ドナー状態がその単色光により共鳴遷移が生じたかを判断できる。
【０１６６】
（リセット）
一度、共鳴遷移が生じると、フローティングゲート領域内のドナーはイオン化したままとなる。したがって、そのままでは、次の測定を行うことができない。そこで、フローティングゲート領域のドナーを中性化する作業が必要になる。このステップをリセットと称する。
【０１６７】
リセットを行うには、フローティングゲート領域内に電子を一つ注入しなければならない。これは、ショットキー電極の電位を下げ、フローティングゲート領域との電位差を、ショットキー障壁以上にすることにより可能となる。この電位差により、キャリアがフローティングゲート領域とショットキー電極間で自由に移動できるようになる。したがって、ショットキー電極から電子が移動し、フローティングゲート領域内のイオン化したドナーに捕捉され、中性化する。
【０１６８】
中性化した後、ショットキー電極の電位を戻せば、再度の読み出しが可能となる。
【０１６９】
そこで、照射する光のエネルギーを変化させ、順次複数の遷移を検知していけば、遷移とエネルギーの関係を決定することができる。
【０１７０】
（核スピンの読み取り）
一旦遷移とエネルギーの関係を決定してしまえば、以下の手順で核スピンを読み取ることができる（図１）。
【０１７１】
（ステップＢ１：中性化）
核スピンを読み取るために、まずデバイスの中性化を行う。これはステップＡ１と同様である。
【０１７２】
（ステップＢ２：磁場印加）
次に、デバイスに所望の磁場を印加する。これは基本的にはステップＡ１と同じ磁場を印加する。ただし、共鳴的遷移がおこるエネルギーを計算するための各パラメーターが既知である場合には、別の磁場強度を用い、光のエネルギーを式に従って補正してもよい。
【０１７３】
（ステップＢ３：中性ドナー状態におけるドレイン電流の測定）
光を照射する前に、ドナーが中性である状態のドレイン電流を測定しておく。
【０１７４】
（ステップＢ４：単色光の照射とドレイン電流変化の検出）
中性ドナー状態として、Ｄ１からＤ４のうちのある一つの状態を仮定し、そこから束縛励起子を生成可能なエネルギーの光を照射する。また、その照射によりドレイン電流が変化するかを判定する。もしドレイン電流が変化すれば、中性ドナー状態が、仮定した状態であったことがわかる。もし、ドレイン電流が変化しなければ、別の中性ドナー状態であると仮定して、その状態から束縛励起子を生成可能なエネルギーの光を照射する。最低、Ｄ１からＤ４のうちの３つの状態を仮定して、光を順次照射すれば、遷移が発見できればその状態であるとわかるし、まったく遷移が見つからなければ仮定しなかった残りの状態であることがわかる。つまり、この方法により、中性ドナー状態がＤ１からＤ４のどの状態であるのかを決定することができる。
【０１７５】
中性ドナー状態が、Ｄ１からＤ４のどの状態であるかがわかれば、図７にしたがって、ドナーの核スピン状態を決定することができる。すなわち、本発明の方法で、ドナーの核スピンを読み取ることができる。
【０１７６】
また、本発明の方法では、一個のドナーの変化が、多数のキャリアが含まれるドレイン電流の変化に変換される。したがって、電流中のキャリア数の変化が、関与するドナーの数と一致するＴｈｗａｌｔらの方法に比べて高感度であり、一個のドナーであっても変化を検出することができる。
【０１７７】
また、本発明の方法は、本発明者が考案したオージェ電子を選択的に引き抜く構造を与えて、初めて実施可能となるものであり、この構造は従来のＭＯＳＦＥＴには存在しない。したがって、従来のＭＯＳＦＥＴでは本発明を実施することは不可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本発明のデバイスは、量子コンピュータや量子メモリの量子情報読み取りデバイスとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】核スピン読み取り方法を示すフローチャート
【図２】本発明で用いるデバイスの構造断面図
【図３】本発明で用いるデバイスの構造図
【図４】中性ドナー状態を示す図
【図５】束縛励起子状態を示す図
【図６】束縛励起子状態を示す図
【図７】中性ドナー状態を示す図
【図８】磁場印加による各状態のエネルギー変化を示すグラフ
【図９】許容される遷移を示すグラフ
【図１０】各遷移エネルギーの磁場による変化を示すグラフ
【図１１】Ｆｕらの方法による核スピンの読み取りを示すグラフ
【図１２】Ｔｈｅｗａｌｔらの方法による核スピンの読み取りを示すグラフ
【図１３】デバイス製造の流れを示す工程図
【図１４】デバイス製造の流れ２工程図
【図１５】本発明のデバイスから核スピンを読み出すためのシステムを示す図
【図１６】フローティングゲートを構成する回路図
【図１７】ドレイン電流の変化を示すグラフ
【符号の説明】
【０１８０】
２０１  フローティングゲート領域
２０２  核スピン読み取り対象のドナー
２０３  絶縁層１
２０４  絶縁層２
２０６  ショットキー電極
２０７  ゲート電極
２０８  チャネル領域
２０９  ソース領域
２１０  ドレイン領域
４０１  ドナー
４０２  電子
５０１  ドナー
５０２  電子
５０３  正孔
１３０１  基板
１３０２  酸化膜形成
１３０３  酸化膜エッチング
１３０４  ラテラルオーバーグロース
１３０５  絶縁膜形成
１４０１  ショットキー電極形成
１４０２  ポリシリコン堆積
１４０３  ゲート電極のエッチング
１４０４  ソース・ドレイン注入
１５０１  本発明で用いるデバイス
１５０２  制御・検出回路
１５０３  デバイス冷却装置
１５０４  磁場印加装置
１５０５  励起光照射装置
１５０６  励起光
１５０７  遮光体
１６０１  フローティングゲート領域
１６０２  ゲート電極
１６０３  ソース領域
１６０４  ドレイン境域
１６０５  基板領域
１７０１  フローティングゲート内のドナーが中性の場合
１７０２  フローティングゲート内のドナーがイオン化している場合
１７０３  印加しているゲート電圧
１７０４  ドレイン電流の変化
【図１】
2009272518.tif 000019
【図２】
2009272518.tif 000020
【図３】
2009272518.tif 000021
【図４】
2009272518.tif 000022
【図５】
2009272518.tif 000023
【図６】
2009272518.tif 000024
【図７】
2009272518.tif 000025
【図８】
2009272518.tif 000026
【図９】
2009272518.tif 000027
【図１０】
2009272518.tif 000028
【図１１】
2009272518.tif 000029
【図１２】
2009272518.tif 000030
【図１３】
2009272518.tif 000031
【図１４】
2009272518.tif 000032
【図１５】
2009272518.tif 000033
【図１６】
2009272518.tif 000034
【図１７】
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