(57)【要約】【課題】ドナーの核スピン状態を読み出すこと。【解決手段】単一電子の通過により電流が流れない準安定状態からブレークダウン電流が流れる状態への遷移をおこすダイオードの空乏層にオージェ電子が到達可能な場所に核スピンを読み出すドナーを配置し、特定の核スピン状態にあるドナーでだけ中性ドナーから束縛励起子を生成するように光を照射し、ブレークダウン電流を検出する。【選択図】図１
2009272459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一電子の通過により電流が流れない準安定状態からブレークダウン電流が流れる状態への遷移をおこすダイオード１を構成するｎ型領域（２）と、ｐ型領域（３）を有し、中性ドナー（４）が安定して存在可能であり、かつ束縛励起子状態（５）を生成可能な領域であり、中性ドナー（４）から束縛励起子（５）を共鳴的に生成するための単色光（６）を照射可能な領域であり、かつ、束縛励起子崩壊時に放出される電子（７）がダイオード（１）の空乏層領域に到達可能である領域に核スピン状態読取対象のドナー（８）のみが含まれることを特徴とするデバイス（９）。
【請求項２】
請求項１のデバイスを用いた核スピン状態の読み出し方法であって、
ドナー（８）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、
ダイオード（１）を電流が流れないが単一の電子の通過によりブレークダウン電流が流れる状態に遷移する準安定状態に置くステップと、
デバイス（９）にドナー（８）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（６）を照射するステップと、
照射によりダイオード（１）にブレークダウン電流が流れたかを判定するステップと、
ブレークダウン電流が流れなかった場合に別の核スピン状態に束縛励起子形成が行われるような別の単色光を照射し、ブレークダウン電流が検出されるまで異なる単色光を照射するステップを
含むことを特徴とする核スピンの読み出し方法。
【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ー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出すことができない。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出す必要がある。
【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出す方法を開示した。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。
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
Ｆｕらが開示した核スピンの読み出し方法は、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。
【００１５】
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出し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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
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）
【非特許文献３】Ｍ．  Ｇｈｉｏｎｉ、Ａ．  Ｇｕｉｌｉｎａｔｔｉ，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．３３，  Ｎｏ．４，  ｐ．８５２，  ２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
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。
【００１９】
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出すためには、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出し手順等は開示していない。
【００２０】
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出すため装置および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】
【００２１】
前記従来の課題を解決するために、本発明では、単一電子の通過により電流が流れない準安定状態からブレークダウン電流が流れる状態への遷移をおこすダイオード１を構成するｎ型領域２と、ｐ型領域３を有し、中性ドナー４が安定して存在可能であり、かつ束縛励起子状態５を生成可能な領域であり、中性ドナー４から束縛励起子５を共鳴的に生成するための単色光６を照射可能な領域であり、かつ、束縛励起子崩壊時に放出される電子７がダイオード１の空乏層領域に到達可能である領域に核スピン状態読取対象のドナー８のみが含まれることを特徴とするデバイス９を用い、そのデバイスに、ドナー８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、ダイオード１を電流が流れないが単一の電子の通過によりブレークダウン電流が流れる状態に遷移する準安定状態に置くステップと、デバイス９にドナー８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６を照射するステップと、照射によりダイオード１にブレークダウン電流が流れたかを判定するステップと、ブレークダウン電流が流れなかった場合に別の核スピン状態に束縛励起子形成が行われるような別の単色光を照射し、ブレークダウン電流が検出されるまで異なる単色光を照射するステップを含むことで上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００２２】
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】
【００２３】
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。
【００２４】
（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。本デバイスは、ダイオードを構成するｎ型領域（２０１）とｐ型領域（２０２）、および核スピン状態を読み出す対象のドナー（２０３）からなる。なお、本デバイスは、ダイオードへの印加電圧を制御する外部電源および電流測定装置等からなる回路との接続が必要であるので、アノード電極（２０５）およびカソード電極（２０４）も形成されている。絶縁層（２０６）は、カソード電極（２０４）とｐ型領域（２０２）の短絡を防止するために設けられている。
【００２５】
（同種ドナーの排除）
本発明では、光を核スピン読み取り対象のドナーに照射すること発生するオージェ電子放出を利用しダイオードをブレークダウンさせることで、核スピンを読み出す。
【００２６】
したがって、この光が、核スピン読み出し対象ドナーにおけるオージェ電子放出現象以外で、ダイオードのブレークダウンをひきおこす場合、読み取りエラーの原因となる。中性ドナーから束縛励起子を共鳴的に生成する光は、半導体のバンドギャップよりも小さなエネルギーを持つ。したがって、共鳴がおこるドナーがない場合には、半導体に対するこの光の照射の影響は無視できる。
【００２７】
共鳴する可能性があるのはドナーのみであるが、ドナー核種が異なると、共鳴エネルギーが大きくことなる。たとえば、リンとヒ素では、共鳴エネルギーの違いは８ｍｅＶである。一方、核スピン量子数の違いによって生じる共鳴エネルギー差は、５００ｎｅＶ程度である。したがって、同じドナーであっても、別の原子種は共鳴しない。したがって、照射した光が通過し、それにより束縛励起子が生成された場合に放出されるオージェ電子がダイオードのブレークダウンを引き起こす恐れがある領域からは、核スピン読み出し対象と同種、かつ読み出し対象ではないドナーを排除する必要がある。
【００２８】
最も注意しなければならないのが、ダイオードのｎ型領域（２０１）を形成するためのドナーである。ｎ型領域形成のためにはドナーが必要であるが、このドナーが核スピン読み出しを妨げてはならない。この問題は、ダイオードのｎ型領域（２０１）を形成するためのドナー原子種を、核スピン情報の保持に利用されるドナーとは別の原子種とすることで容易に解決することができる。たとえば核スピン読み取り対象をリンとし、ダイオードをヒ素ないしはアンチモンなど他のＶ属元素を用いてこの領域を形成すればよい。ｐ型領域を形成するためのアクセプターの種類については、ダイオード特性が得られるという以外に、特に制限はない。シリコンダイオードを作成する場合に最も一般的なホウ素でよい。
【００２９】
（核スピンを読み出すドナーの位置に対する制限）
ドナー（２０３）の位置については、１）中性ドナーの安定した存在が可能であり、束縛励起子形成が阻害されない、２）励起用単色光が照射可能である、３）ドナーに形成された束縛励起子が崩壊する際に放出される電子がダイオードの空乏層領域に到達可能である、の３つの条件を満たす必要がある。
【００３０】
（中性ドナー安定存在および束縛励起子形成可能条件）
条件１が課されるのは、本発明が、中性ドナーから束縛励起子状態への遷移を利用するためである。これら２状態のどちらか一方でも存在できない状態では、当該遷移が発生しないため、本発明の方法により核スピンを読み出すことは不可能である。本条件を満たす上で特に注意すべき事項として、ドナーが置かれる結晶の伝導極性、内部電場の２つがある。
【００３１】
（結晶の伝導性が中性ドナー形成に与える影響）
本発明を用いて核スピンを読み出すためには、ドナーを中性化しておく必要がある。この中性化を行うためには、キャリア凍結領域と呼ばれる温度域まで冷却する必要がある。この温度域でフェルミ準位は、ｎ型であれば伝導体直下に、ｐ型であれば荷電子帯直上に位置している。したがって、ｎ型結晶中に置かれたドナーであればほぼすべてが中性化するが、逆にｐ型結晶中に置かれたドナーはほぼすべてイオン化してしまう。したがって、中性ドナーを存在させるために、ｎ型領域にドナー（２０３）が存在する必要がある。アンドープ領域でも、中性ドナーの存在は原理的には可能である。しかしキャリア凍結領域では、ほんのわずかなドーパントが極性を決めてしまうため、アンドープ領域を用いるよりはｎ型領域を用いる方が実施が容易になる。このｎ型領域は、その他の条件を満たすのであれば、ダイオードを構成するｎ型領域の一部、ないしは隣接する領域であってもよい。また、ダイオードを構成するｎ型領域とは別に、このドナーを配置するためのｎ型領域を設けてもよい。
【００３２】
（内部電場が中性ドナーおよび束縛励起子に与える影響）
次に内部電場の影響について説明する。原子核と正孔は正に帯電しており、電子は負に帯電している。したがって、電場が印加されるとそれぞれ逆向きの力を感じる。中性ドナーも束縛励起子も限られた領域内に正負同数の構成粒子が存在しているため、その領域よりも大きなスケールでみれば中性である。シリコン中の励起子や中性ドナーの領域の大きさは、数ｎｍ程度である。
ドナーが電子を束縛しているエネルギーは５０ｍｅＶ程度、電子正孔対が励起子を形成しているエネルギーが１５ｍｅＶ程度、中性ドナーが励起子を束縛しているエネルギーが５ｍｅＶ程度である。したがって、数ｎｍの長さで数ｍＶの電位差、つまり１０の６乗Ｖ／ｍ程度の電場が存在すると、束縛励起子の生成が阻害される恐れがある。
【００３３】
本発明のデバイスを用いて核スピンを読み出すためには、ダイオードのアノードとカソード間に電圧が印加される必要がある。この電圧がデバイス中の電場の最大の原因である。この電圧はダイオードの設計により値が異なるが、通常数Ｖから数十Ｖ程度となる。この電位差のほとんどは、ダイオードのｐ−ｎ接合部に生じる空乏層に集中する。したがって、ドナーを空乏層領域から避けて配置することで、ダイオードに印加される電圧に起因する電場は避けることができる。
【００３４】
キャリア凍結領域のダイオードのｎ型領域中の空乏層厚みＷｎ、ｐ型領域中の空乏層厚みＷｐは、以下の数１で計算することができる。
【００３５】
【数１】
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【００３６】
ただし、εは誘電率、ｑは素電荷、ＮＡはｐ型領域のアクセプター濃度、ＮＤはｎ型領域のドナー濃度、Ｅｇはバンドギャップに対応する電圧、Ｖは印加電圧である。この式から明らかなように、ｐ型領域のアクセプター濃度をｎ型領域のドナー濃度よりも小さくすることで、Ｗｎを小さくすることができる。
【００３７】
たとえば、シリコンの場合ε＝１．１Ｅ−１０Ｆ／ｍ、Ｅｇ＝１．１Ｖであり、ＮＡ＝１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｍ３、ＮＤ＝１Ｅ２４ａｔｏｍｓ／ｍ３、Ｖ＝１０Ｖ、の条件では、Ｗｐ＝４マイクロメートルであるのにたいし、Ｗｎ＝４ナノメートルである。
【００３８】
核スピン情報を保持するドナーを置くｎ型層を、ダイオードのｎ型層と共通化する場合には、ｎ型層の厚みをこのｎ型領域内空乏層厚みよりも大きくする必要がある。
【００３９】
（光照射に対する配慮）
条件２を満たすために、ドナーが照射された単色光のほとんどを反射ないしは吸収する領域で覆われていてはならない。中性ドナーから束縛励起子を共鳴的に生成するための単色光の波長は、シリコンの場合およそ１０７８ｎｍ程度である。たとえば、ＡｌやＣｕといった一般的な金属で構成された電極は、この波長の光を反射する。また、デバイス封止材料の多くはこの光を通さない。一方、シリコン結晶やポリシリコン、シリコン酸化膜およびガラス等の場合、この波長の光の反射および吸収は小さいため、ドナーがこれら材質で囲まれていても問題ない。
したがって、ドナーが共鳴光照射に対し、電極の影となるような位置となっている場合には、電極の一部に光を通過させるための開口部を設けるなどの措置をとる。また、本デバイスを、光を通さない材質のパッケージに封入する際には、ガラス窓を設けるなどして光がデバイスに到達できるようにしておく。
【００４０】
なお、以下のような配慮を行う場合には、電極に開口部を設けるのは必須ではない、たとえばＩＴＯ等の励起光を通過させる透明電極材料を用いることにより、電極の背後にドナーを配置することができる。また、通常の金属電極であっても、厚みを数十ｎｍ程度に抑えることで部分的な透過が生じるようにすることができる。また、ドナーの位置を、光の進行方向に対して電極よりも手前側に配置する場合には、電極による反射や吸収の影響を受けない。したがって、そのような配置を行う場合には、電極の開口や、特殊な材料・構造を用いた電極形成は不要である。
【００４１】
（条件３：オージェ電子の到達に対する配慮）
条件３であるが、オージェ崩壊により放出された電子が空乏層領域に到達するためには、到達までにキャリアが消滅しないようにする必要がある。キャリア消滅の原因としては、正孔との対消滅、結晶欠陥やイオン化ドナーによるトラップ、電極からの吸い出しなどが考えられる。
【００４２】
このうち、本発明の方法では、デバイス中に自由な正孔がほとんどいないため、対消滅は無視することができる。また、ドナーのほとんどは中性化しているので、これも無視できる。電極による吸い出しは、核スピンを読み出すドナーを、電極から空乏層までの間で、空乏層よりに配置することで、軽減することができる。
【００４３】
（デバイスの製造方法）
次に、デバイスの製造方法について述べる。本デバイスは、基本的にダイオードであるから、製造方法も一般的ダイオードと共通する部分が多い。ただし、先に説明したデバイス構造をとる必要があるから、製造方法の一部を一般的ダイオードとは異なるように変更する必要がある。
【００４４】
ダイオードの製造のための基板として、ｐ型基板を用いる。つまり、アクセプター不純物がドープされた基板を用いる。シリコンの場合、アクセプター不純物はホウ素が一般的であり、本発明のためのデバイスもホウ素でよい。基板のアクセプター濃度は、それをそのままダイオードのｐ型に用いる場合には、ダイオードのｐ型領域に適した値のものを選択しておく。先に述べたように、ｎ型領域の空乏層幅を抑えるために、ｐ型領域のアクセプター濃度を、ｎ型領域のドナー濃度よりも低くすることが望ましい。アクセプター濃度としては、たとえばＮＡ＝１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｍ3をとることができる。
【００４５】
この基板に対して、フォトリソグラフィーの原理を利用し、領域を限定してｎ型不純物をイオン注入し、ｎ型領域（２０１）を形成する。ここで、ｎ型領域を形成するためにイオン注入する不純物は、核スピン読み出しに利用されるドナー（２０３）の核種とは異なるようにしておく。ドナー濃度は、やはり空乏層幅制御の観点から選択する。たとえば、ｐ型領域のアクセプター濃度がＮＡ＝１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｍ3であれば、ドナー濃度として１Ｅ２４ａｔｏｍｓ／ｍ3とすることで、ｎ型領域内の空乏層幅を４ナノメートルとすることができる。
【００４６】
ドナーとアクセプターの濃度が定まり、使用時の想定印加電圧を与えれば、ｎ型領域の空乏層幅を式１に従い計算することができる。ｎ型領域の深さは、このｎ型空乏層領域の厚み以上である必要がある。さらに、核スピン読み取り対象のドナー（２０３）を、図１のようにダイオードを形成するｎ型領域の一部に配置する場合、ドナー（２０３）位置に空乏層が重ならないようにｎ型領域の厚みを決める必要がある。
【００４７】
ｎ型領域の厚みを十分大きくすれば、ドナー（２０３）が空乏層領域に入らないようにすることは容易になる。しかしながら、ｎ型領域（２０１）の体積を増やしすぎると以下のような問題が生じる。
【００４８】
シリコン基板には、通常主たる不純物以外に、意図せずに混入した別の不純物が含まれる。たとえばホウ素ドープした基板であっても、通常、１０の１７乗（毎立方メートル）程度のリンやヒ素が含まれる。したがって、核スピン読み出しにこれらリンやヒ素を用いた場合には、この程度の濃度で結晶中に同種の不純物が含まれている。基板から完全にこれらを除去するのは極めて困難である。光が通過する領域を、半径５マイクロメートル、高さ１００マイクロメートルの円柱であるとすると、この円柱の体積は８×１０の−１７乗立方メートルとなる。したがって、上記光が通過する領域には数個の同種不純物が含まれる。
【００４９】
この残留する同種不純物の内、ｐ型領域およびｎ型の空乏層領域に存在するものは、中性ドナーとはならない。したがって、これらドナーは測定エラーの原因とはならない。エラーを引き起こすのは、イオン注入によりｎ型に転換した領域（２０１）の空乏層以外の領域に残留する同種不純物である。したがって、領域（２０１）の厚みをできる限り抑えることが、残留同種不純物の影響を軽減する効果的方法である。
【００５０】
ダイオードとして動作させるには、ｎ型領域（２０１）の厚みは、空乏層のｎ型領域内の厚み以上であればよい。一方、核スピン読み出し対象のドナー（２０３）は、空乏層に存在してはならないし、電極からのキャリア吸い出しを抑制するために、電極よりも空乏層に近い側に配置することが望まれる。核スピンを保持するドナーをシングルイオン注入法により表面側から注入する場合、イオンが結晶内で運動エネルギーを失った位置で停止するために、かならず基板表面からある程度の距離が離れた位置となる。この距離は、予備実験により求めることができ、また、シミュレーションなどにより予測することもできる。たとえばリンの場合、注入エネルギーが６０ｋｅＶであれば、平均深さは７０ｎｍ程度となる。
【００５１】
核スピン読み出し対象のドナーが撃ち込まれる深さが計算できれば、ｎ型領域（２０１）全体の厚みは、この深さにｎ型領域内の空乏層厚みを足したものが最小値となる。イオン注入の場合、イオンが停止する深さにはバラつきが生じるので、実際にはこの最小値に余裕を持たせた値とすることが好ましい。この余裕が大きすぎると、ドナー位置が空乏層よりも電極に近くなる。したがって、余裕としてとる値は、電極からドナー位置までの距離以内とする。
【００５２】
たとえば、ドナーの平均深さが７０ｎｍであり、ｎ型領域内の空乏層厚みが４ｎｍであれば、ｎ型領域全体の厚みはたとえば１００ｎｍとすることができる。
先ほどの残留不純物濃度の条件の場合、その領域に含まれる同種不純物個数の期待値は８／１０００となる。つまり問題を起こす残留を生じる確率は１％以下となり、この問題は無視することができる。
【００５３】
核スピン読み出し対象のドナー（２０３）も、イオン注入で行う。ただし、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程度であるので、今想定しているダイオードの径である数マイクロメートルに比べて十分小さい。また、本発明のデバイスでは、光が照射可能な領域であることさえ満たせば、平面内での位置制御は要求されない。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。
イオン注入後、アニールをおこなうことで、注入したドナーを電気的に活性化させる。
【００５４】
アニール後、絶縁領域（２０６）と電極（２０４）および電極（２０５）を形成する。これら絶縁領域および電極の形成は、一般的な半導体デバイス製造の方法を用いればよい。
【００５５】
（システム構成）
本デバイスから核スピンを読み出すためには、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３に示す。
【００５６】
本システムは、デバイス（３０１）の他に、電気回路（３０２）、クライオスタット（３０３）、磁場発生装置（３０４）、単色光（３０６）を照射するための光源（３０５）、不要な光を遮断するための遮光体（３０７）から構成されている。
【００５７】
（電気回路３０２）
電気回路（３０２）は、ダイオードに印加する電圧を制御する役割と、ダイオードのブレークダウン電流を検出する役割を担当する。図１３は、ダイオードに印加した電圧と、流れる電流の関係である。ダイオードは逆方向電圧を印加されると、ある電圧までは電流がほとんど流れず、ブレークダウン電圧と呼ばれる電圧（１３０３）を超えた時点で急激に電流が流れだす性質を示す。この電流をブレークダウン電流と呼ぶ。ブレークダウン電圧（１３０３）を超えた電圧では、状態（１３０１）のように本来ブレークダウン電流が流れる。ただし、緩やかに電圧を加えていくと、本来ブレークダウン電圧を超えているにも関わらず、ブレークダウン電流が流れない準安定状態（１３０２）に、ダイオードを置くことができる。この準安定状態は、なにもしない状態では、数百ミリ秒といった比較的長時間、安定に保つことができる。しかし、このダイオードの空乏層領域をひとつでも電子が一つでも通過すると、安定状態への遷移が起こるようにすることができる。
【００５８】
電圧制御回路は、まずこの準安定状態を生成する役割を担当する。つまり、ブレークダウン電圧（１３０３）以下の電圧から徐々に電圧を印加し、ブレークダウン電圧を超えているが、ブレークダウン電流が流れていない状態に達した時点（１３０２）で電圧を固定する役割を果たす。
【００５９】
本発明の核スピン読み取り方法では、共鳴的な束縛励起子生成が生じた結果、ダイオードが電流が流れない準安定状態からブレークダウン電流が流れる状態に遷移する。電気回路（３０２）は、この電流を検出する役割も果たす。このブレークダウン電流は、ダイオードへの電圧印加を停止するなど、強制的停止措置を取らない限り流れ続ける。かつこの電流量は、ダイオードの設計と印加電圧に依存するものであり、核スピン情報を持つドナーの数等には依存しない。
本発明では、電流が流れていない準安定状態と、電流がながれている状態を識別できさえすればよい。つまり電流の絶対値を知る必要はなく、ノイズと区別可能であるように設定した閾値を超えたかどうかの識別さえすればよい。このような電流検出は、たとえばブレークダウン電流が流れる経路に固定抵抗を用意しておき、その抵抗両端に閾値以上の電位差が生じているかを調べることで行うことができる。たとえば、ブレークダウン電流の検出閾値が１００マイクロアンペアである場合、１０メガオームの抵抗を用いれば、１ボルトを閾値とした電圧変化としてとらえることができる。１ボルト以上の電圧変化は、通常のＭＯＳやバイポーラトランジスタを用いたいわゆるコンパレータ回路で容易に検出することができる。コンパレータ回路の出力は、ＴＴＬパルス等、他の一般的電気回路が入力として受け取る形式にすることができる。したがって、このシステムにより、単一のドナーの核スピン情報を、ＴＴＬパルス等一般的電気回路の信号に変換することができる。
【００６０】
本発明では、ダイオードがブレークダウン電流が流れる状態になることで、核スピン状態が特定の状態であることを検出する。ダイオードは、一度準安定状態からブレークダウン電流が流れる安定状態に遷移すると、電流が流れ続ける。したがって、核スピン読み取り作業を終了し、再度、核スピン情報の保持などのステップに移行したい場合には、このブレークダウン電流を停止させねばならない。これは、ダイオードに印加する電圧を０とすることで行うことができる。したがって、本発明の方法で、繰り返し読み出しを行う場合には、電気回路（３０２）にブレークダウン電流が検出された後に、電圧を０とする機構を備えさせる。
【００６１】
（クライオスタット３０３）
クライオスタット（３０３）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。
【００６２】
（磁場発生装置３０４）
磁場発生装置（３０４）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。
【００６３】
図３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。
【００６４】
（単色光光源３０５）
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。磁場を印加しない状態では、中性ドナーと束縛励起子状態の準位差は、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。発明の実施に必要な可変範囲は、印加する磁場強度により異なる。たとえば２０ｍＴの磁場であれば可変幅は５マイクロｅＶ程度でよい。５０ｍＴの場合には２０マイクロｅＶ程度が必要になる。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
（遮光体３０７）
本発明のダイオードは、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、ブレークダウン電流が流れるようにされる。したがって、核スピン共鳴以外の原因によりブレークダウンを生じさせるようなキャリア生成がダイオードで行われると、エラーが生じる。この共鳴過程以外のキャリア生成の原因として最も大きなものが、共鳴光以外の光照射によるキャリア生成である。
【００７０】
想定されるキャリア生成としては二種類ある。ひとつはバンドギャップ程度以上のエネルギーを持つ光子の入射によるキャリア生成である。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。
【００７１】
もう一つのキャリア生成過程が、中性不純物のイオン化である。ドナーが電子を束縛しているエネルギーは５０ｍｅＶ前後である。したがって、これを上回るエネルギーの光子が照射されると、ドナーが直接イオン化する危険性がある。５０ｍｅＶは、波長にして２５マイクロメートルに相当し、これより短い波長の光がこの過程を起こす危険性がある。
【００７２】
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（３０７）で取り囲む。この遮光体（３０７）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。
【００７３】
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（３０６）をデバイスに照射する必要がある。この光（３０６）のみをデバイスに到達させるために、遮光体（３０７）内部に選択的励起用光照射部を設ける、ないしは、遮光体（３０７）の一部に選択的励起用光（３０６）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。
【００７４】
（読み出し手順）
読み出しの手順を、図１を用いて説明する。
【００７５】
（ステップ１：中性化）
核スピンを読み出すために、まずデバイスの中性化を行う。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。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。
【００７６】
（ステップ２：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（３０４）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。しかし、共鳴エネルギーが磁場強度に依存するために、磁場強度は読み出しごとに同じ値をとる、もしくは異なった値をとる場合には、その値を検出し、光のエネルギーを調整する措置をとる。
【００７７】
なお、デバイスとの相対距離が固定された永久磁石を用いて磁場印加を行う場合には、最初からデバイスに一定の磁場が印加されている。本発明の実施には、ステップ２以前に磁場が印加されていても影響はない。ただし、所望の磁場強度になるように磁化率の変化を補うように、追加のコイルで補正を行うか、磁化率の変化をガウスメーターなどにより測定しておき、その変化に合わせてステップ４で照射する光の波長を調整する。
【００７８】
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。
【００７９】
（ステップ３：ダイオードの準安定状態化）
次のステップは、本発明のデバイスの一部であるダイオードを、準安定状態にすることである。この準安定状態とは、以下のようなものである。図１３の実線は、ダイオードの典型的電流電圧特性である。ダイオードは、逆方向電圧が印加されると、ある電圧までは電流がほとんど流れず、ブレークダウン電圧と呼ばれる電圧（１３０３）を超えた時点で急激に電流が流れだす性質を示す。この電流をブレークダウン電流と呼ぶ。ブレークダウン電圧（１３０３）を超えた電圧では、状態（１３０１）のように本来ブレークダウン電流が流れている。ただし、緩やかに電圧を加えていくと、本来ブレークダウン電圧を超えているにも関わらず、ブレークダウン電流が流れない準安定状態（１３０２）に、ダイオードを置くことができる。この準安定状態は、なにもしない状態では、数百ミリ秒といった比較的長時間、安定に保つことができる。しかし、このダイオードの空乏層領域をひとつでも電子が一つでも通過すると、安定状態への遷移が起こるようにすることができる。
【００８０】
この準安定状態（１３０２）から安定状態（１３０１）への単一キャリアによる遷移は、単一光子検出器として利用されている。ダイオードによる単一光子検出については、たとえば非特許文献３に詳しく記載されている。単一光子検出器では、単一光子吸収により生成される単一電子・正孔対がブレークダウンを引き起こす。本発明ではドナー原子から共鳴的に生成された束縛励起子の崩壊により放出された電子が引き金となる。しかし、ダイオードの原理上、光により生成された電子であっても、オージェ過程により放出された電子であっても、どちらでも同様にブレークダウンを起こすことができる。なお、市販されている単一光子検出器そのものは、本発明請求項１に記載の要件を満たさない。なぜならば、単一光子検出器用ダイオードを作成するためには、単一原子種のドナーだけで可能であり、二種類のドナーを用いる必然性がない。したがって、本発明の要件を満たすように意図的に２種類のドナーを導入しているデバイスは存在しない。また、本発明では核スピン読み取り対象のドナーの位置に厳しい制限がある。したがって、基板中の残留などにより、意図せず含まれるドナーが、たまたま本発明の要件を満たす可能性も皆無である。
【００８１】
（ステップ４：単色光の照射と電流の検出）
次のステップは、本発明のデバイスに単色光を照射することである。図１０に示すように、２０ｍＴ以上の磁場が印加された状態では、中性ドナー状態から束縛励起子状態への１２種類の遷移はすべて異なるエネルギーを持つ。光子のみが寄与する状態遷移では、光子のエネルギーと遷移のエネルギーが一致した場合のみ遷移が発生する。
【００８２】
遷移が生じた場合、束縛励起子状態が形成され、９９％以上の確率でその束縛励起子は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。一つの束縛励起子の崩壊により放出されるオージェ電子は一つである。しかしながら、ステップ２で説明したように、準安定状態に置かれたダイオードを安定状態に遷移させるのは、この一つのオージェ電子で十分である。
安定状態となったダイオードには、ブレークダウン電流が流れる。このブレークダウン電流は、ダイオードへの電圧印加を停止するなど、強制的停止措置を取らない限り流れ続ける。かつこの電流量は、ダイオードの設計と印加電圧に依存するものであり、１００マイクロアンペア以上とすることは容易である。したがって、通常の電気回路で容易に検出が可能である。
【００８３】
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、ダイオードは準安定状態のままとなり、ブレークダウン電流は流れない。よって、単色光照射によるブレークダウン電流発生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遷移が可能な状態であったかが判断できる。
【００８４】
中性ドナーには、図７に示したようにＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の４状態あり、核スピンを読み取るまではどの状態にあるか不明である。そこで、図９に従い、各状態からの遷移が起こるように、単色光の波長を順次変更していく。そうすれば、ブレークダウン電流が検出できた時の波長から、中性ドナー状態がどの状態であったかが特定でき、ひいては核スピン量子数がどの値であったのかを特定することができる。
【００８５】
なお、ダイオードの準安定状態からブレークダウンへの遷移はまれではあるが、キャリアの通過なしに生じる。また、束縛励起子のほとんどはオージェ過程により崩壊するが、０．０２％程度は光子放出により崩壊するため電子が発生しない。またオージェ過程で発生した電子は確率的に空乏層に達する前に電極から吸い出される。これらの現象が起こると、核スピン状態の読み取りエラーとなる。しかし、これらエラーが生じても、核スピン状態は変化しない。したがって、上記読み取りステップを繰り返すことで、エラーと区別することができる。
【００８６】
なお、図１０は、磁場が印加されていない場合のエネルギーからの変化を示している。したがって、実際には、この値に磁場が印加されていない場合のエネルギーを加える必要がある。磁場が印加されていない場合のエネルギーは、およそ１．１５ｅＶであり、波長にして１０７８．２ｎｍ程度である。この値は、デバイスの構造などに起因して、若干ずれる可能性がある。また、図１０に示した磁場強度依存性も、デバイス構造などに起因して、若干傾きが異なる可能性がある。したがって、本発明のデバイスにより核スピンを読み出すためには、実際のデバイスを作成してから、あらかじめ遷移が起こるエネルギーおよびその磁場依存性を確認しておくことが好ましい。
【００８７】
本発明のデバイスを用いれば、光をトリガーとして状態遷移を引き起こし、電気的に信号を取り出すためにＦｕらの方式が抱えるポンプ光によるバックグラウンドや、高感度光検出器の入手といった問題は生じない。また、Ｔｈｅｗａｌｔらの方式とは異なり、少数のドナーから放出されるオージェ電子を、ダイオードの大きなブレークダウン電流に変換することができるために、１個であってもドナー原子の核スピン状態を読み取ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明のデバイスは、量子コンピュータや量子メモリー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】
【００８９】
【図１】本発明請求項１に記載の核スピン読み取り方法を示すフローチャート
【図２】本発明に係るデバイス構造を示す図
【図３】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図
【図９】許容される遷移を示す図
【図１０】各遷移エネルギーの磁場による変化を示す図
【図１１】Ｆｕらの方法による核スピンの読み取りを示す図
【図１２】Ｔｈｅｗａｌｔらの方法による核スピンの読み取りを示す図
【図１３】ダイオードの電流電圧特性を示す図
【符号の説明】
【００９０】
２０１  ｎ型領域
２０２  ｐ型領域
２０３  核スピン読み出し対象のドナー
２０４  カソード電極
２０５  アノード電極
２０６  絶縁層
３０１  本発明請求項１に記載のデバイス
３０２  制御・検出回路
３０３  デバイス冷却装置
３０４  磁場印加装置
３０５  励起光照射装置
３０６  励起光
３０７  遮光体
４０１  ドナー
４０２  電子
５０１  ドナー
５０２  電子
５０３  正孔
１３０１  ブレークダウン電流が流れる安定状態
１３０２  準安定状態
１３０３  ブレークダウン電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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