WO2020213596A1 - 量子ビットセル及び量子ビット集積回路 - Google Patents

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WO2020213596A1
WO2020213596A1 PCT/JP2020/016392 JP2020016392W WO2020213596A1 WO 2020213596 A1 WO2020213596 A1 WO 2020213596A1 JP 2020016392 W JP2020016392 W JP 2020016392W WO 2020213596 A1 WO2020213596 A1 WO 2020213596A1
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layer
quantum bit
qubit
spin
bit cell
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PCT/JP2020/016392
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久保田　均
慎吾 田丸
章雄 福島
貴洋 森
松川　貴
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a qubit cell in which a solid-state qubit and a spin torque oscillator are arranged, and a qubit integrated circuit in which a plurality of the qubit cells are arranged.
  • the solid-state element type qubit generally requires an extremely low temperature operating environment of 100 mK or less, and is arranged in a temperature control device for extremely low temperature such as a cryostat.
  • the microwave is intended to be introduced into the temperature control device from outside the temperature control device by using a microwave generator placed outside the temperature control device as a supply source for controlling the state of the qubit. It is supplied to the solid-state qubit.
  • the microwave is introduced into the temperature control device via a multiplexer arranged in the temperature control device and a high frequency transmission line. Therefore, the microwaves in an appropriately distributed state are transmitted to the individual individual element-type quantum bits (see Non-Patent Document 1).
  • the high-frequency transmission line has a large size and is accompanied by shape restrictions for transmitting the microwave, so that it is easy to increase the area and it is difficult to manufacture the solid-state element. This is a factor that hinders the construction of a multi-bit integrated circuit composed of a large number of type qubits.
  • the high-frequency transmission line tends to generate so-called crosstalk, which affects the solid-state element-type qubit other than the target one, and selectively operates the individual solid-state element-type qubit. It also becomes a hindrance factor.
  • a micromagnet is arranged at the transmission destination of the high-frequency transmission line, and the gradient magnetic field generated by the micromagnet in response to the irradiation of the microwave causes the target solid-state quantum bit.
  • the microwave is also selectively supplied (see Non-Patent Document 2).
  • the micromagnet has a size on the order of several tens of ⁇ m and is much larger than the size of the solid element type qubit, it hinders the integration of the solid element type qubit.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the past and to achieve the following objects. That is, it is an object of the present invention to provide a quantum bit cell and a quantum bit integrated circuit having a structure that can be easily integrated.
  • a spin torque oscillator capable of emitting microwaves having a propagation distance of 1 ⁇ m or less and having a maximum diameter of 1 ⁇ m or less, and microwaves arranged in the vicinity of the spin torque oscillator at intervals of the propagation distance or less.
  • a solid-state qubit whose quantum two-level system is controlled by A quantum bit cell characterized by having.
  • the spin torque oscillator has a three-layer laminated structure composed of a laminated body of a reference layer and a non-magnetic layer and an oscillating layer laminated on the laminated body, and the magnetization in the oscillating layer at the time of non-excitation is
  • the quantum bit cell according to ⁇ 1> which is composed of a spin valve type element configured to face in one direction.
  • the spin torque oscillator has a three-layer laminated structure composed of a laminated body of a reference layer and a non-magnetic layer and an oscillating layer laminated on the laminated body, and the magnetization in the oscillating layer at the time of non-excitation is
  • the quantum bit cell according to ⁇ 1> which is composed of a magnetic vortex element having a vortex distribution.
  • ⁇ 5> The quantum bit cell according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein the solid-state qubit is composed of a semiconductor qubit element.
  • a semiconductor qubit element has a transistor structure in which a gate electrode is arranged via an insulating oxide film on a semiconductor-containing layer in which a channel region composed of a semiconductor material is formed between a source portion and a drain portion.
  • ⁇ 7> A quantum bit integrated circuit characterized in that a plurality of quantum bit cells according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6> are arranged.
  • ⁇ 8> In two adjacent quantum bit cells, the spin torque oscillator in one quantum bit cell and the solid-state qubit in the other quantum bit cell exceed the propagation distance of the microwave emitted from the spin torque oscillator.
  • the quantum bit integrated circuit according to ⁇ 7> which is arranged separated by a distance.
  • the present invention it is possible to solve the above-mentioned problems in the prior art, and to provide a quantum bit cell and a quantum bit integrated circuit having a structure that can be easily integrated.
  • the quantum bit cell of the present invention includes a spin torque oscillator and a solid-state element type qubit.
  • the spin torque oscillator is capable of emitting microwaves having a propagation distance of 1 ⁇ m or less, and has a maximum diameter of 1 ⁇ m or less.
  • the spin torque oscillator is not particularly limited as long as it has such characteristics, and examples thereof include known spin valve type elements, magnetic vortex type elements, and spin orbit torque excitation type elements.
  • the spin valve type element has a three-layer laminated structure composed of a laminated body of a reference layer and a non-magnetic layer and an oscillating layer laminated on the laminated body, and the magnetization in the oscillating layer when not excited is generated. It is configured to face in one direction.
  • the reference layer, the non-magnetic layer, and the oscillation layer are classified according to the functions performed by the respective layers, and the reference layer, the non-magnetic layer, and each layer of the oscillation layer are necessary intermediate layers and the like to perform the functions. Including the case where it is configured as a laminated body containing.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the outline of the spin valve type element.
  • the spin valve type element 10 has a three-layer laminated structure in which the non-magnetic layer 12 and the oscillating layer 13 are laminated in this order on the reference layer 11.
  • the spin valve type element 10 is capable of injecting a direct current through an upper electrode and a lower electrode (not shown).
  • the reference layer 11 and the non-magnetic layer 12 may be arranged in the reverse stacking order.
  • the reference layer 11 and the oscillation layer 13 are magnetic layers formed of magnetic materials, respectively, and the electricity of the spin valve type element 10 is determined by the relative angles of magnetization (see “ ⁇ ” in FIG. 1) of these two magnetic layers.
  • the resistance changes. This phenomenon is called the magneto-resistance (MR) effect.
  • MR magneto-resistance
  • the three-layer laminated structure film is classified as a giant magneto-resistive (GMR) film when the non-magnetic layer 12 is formed of metal, and when the non-magnetic layer 12 is formed of an insulator. It is classified as a Magnetic Tunnel Junction (MTJ) membrane.
  • GMR giant magneto-resistive
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • the reference layer 11 and the oscillation layer 13 are formed of, for example, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), an alloy thereof, a Whistler alloy, or the like, and are non-magnetic.
  • the layer 12 is formed of, for example, copper (Cu), silver (Ag), or the like.
  • the reference layer 11 and the oscillation layer 13 are formed of, for example, CoFe and a CoFeB alloy to which boron (B) is added, and the non-magnetic layer 12 is, for example. , Magnesium oxide (MgO) and the like.
  • the magnetization of the reference layer 11 does not move at the time of excitation due to the thickness of the reference layer 11 being thicker than that of the oscillation layer 13, the pinning effect obtained by using an antiferromagnetic material as the forming material, and large magnetic anisotropy. It is configured as follows. On the other hand, the oscillation layer 13 is thinner than the reference layer 11 and is configured so that the magnetization in the oscillation layer 13 moves at the time of excitation. When an electron flow is injected into the reference layer 11, the number of electrons having a spin parallel to the magnetization of the reference layer 11 increases more than the number of electrons having a spin antiparallel to the magnetization of the reference layer 11.
  • a high-frequency magnetic field is generated around the spin valve type element 10 based on the precession of the magnetization of the oscillation layer 13.
  • microwaves locally generated around the spin valve type element 10 based on such a high frequency magnetic field are used for manipulating the solid element type qubit.
  • the spin valve type element 10 exemplifies a typical structure, and can be classified into the following first type to third type according to the characteristics of magnetization.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the outline of the spin valve type element according to the first type.
  • the spin valve type element 10A according to the first type has a three-layer laminated structure in which a non-magnetic layer 12A and an oscillation layer 13A are laminated in this order on a reference layer 11A.
  • a direct current can be injected by an upper electrode and a lower electrode (not shown).
  • the reference layer 11A and the non-magnetic layer 12B may be arranged in the reverse stacking order.
  • the thickness of the oscillation layer 13A is about 1 nm to 3 nm. Further, in the spin valve type element 10A according to the first type, the magnetization of the reference layer 11A and the oscillation layer 13A is configured to face the in-layer direction when not excited. Further, in order to utilize the magnetic anisotropy due to the shape, the three-layer laminated structure is generally processed so as to have an elliptical columnar shape.
  • the magnetization of the oscillation layer 13A is oriented in a specific direction (initial direction) in the layer that satisfies the equilibrium condition determined by the external magnetic field, the internal anisotropic magnetic field, etc. when not excited, and a DC current is injected into the reference layer 11A. Then, the magnetization of the oscillating layer 13A moves, and the magnetism moves around the initial direction under the equilibrium condition.
  • the frequency of the aging motion is the frequency of ferromagnetic resonance determined by the total effective magnetic field received by the magnetization of the oscillating layer 13A and the saturation magnetization of the oscillating layer 13A, and belongs to the microwave region of several GHz to several tens of GHz.
  • the spin valve type element 10A according to the first type by injecting a direct current, the precession can be excited to generate a microwave magnetic field in the surroundings.
  • the spin valve type element 10A according to the first type can be configured with reference to Reference 1 below.
  • Reference 1 S.I. Kiselev, et al., Nature 425, 380 (2003)
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the outline of the spin valve type element according to the second type.
  • the spin valve type element 10B according to the second type has a three-layer laminated structure in which the non-magnetic layer 12B and the oscillating layer 13B are laminated in this order on the reference layer 11B.
  • the spin valve type element 10B according to the second type can be injected with a direct current by an upper electrode and a lower electrode (not shown).
  • the reference layer 11B and the non-magnetic layer 12B may be arranged in the reverse stacking order.
  • the thickness of the oscillation layer 13B is about 1 nm to 3 nm, and the thickness of the reference layer 11B is thicker than that of the oscillation layer 13B.
  • the magnetization of the reference layer 11B faces the stacking direction and the magnetization of the oscillation layer 13B faces the in-layer direction when not excited. Further, in order to suppress magnetic anisotropy due to the shape, the three-layer laminated structure is generally processed so as to have a columnar shape.
  • the magnetization of the oscillation layer 13B is layered from the inside of the layer due to the electron flow spin-polarized by the vertical magnetization of the reference layer 11B.
  • Torque works so that it rises toward the vertical axis orthogonal to the inward direction.
  • the magnetization of the oscillation layer 13B receives the torque generated by the demagnetizing field and moves so as to precess around the vertical axis.
  • the frequency of the aging motion is the frequency of ferromagnetic resonance due to the total effective magnetic field received by the magnetization of the oscillation layer 13B, but the effective magnetic field received by the oscillation layer 13B includes a demagnetizing field due to itself.
  • the magnitude of the demagnetic field changes depending on the rising angle of the magnetization of the oscillation layer 13B from the in-layer direction. That is, as the rising angle increases, so does the demagnetic field. Since this rising angle changes depending on the magnitude of the direct current injected into the reference layer 11B, the excitation intensity of the precession is controlled by controlling the direct current even in the spin valve type element 10B according to the second type.
  • a microwave magnetic field can be generated in the surroundings.
  • the spin valve type element 10B according to the second type can be configured with reference to Reference 2 below. Reference 2: D. Houssameddine, et al., Nat. Mater. 6, 447 (2007)
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the outline of the spin valve type element according to the third type.
  • the spin valve type element 10C according to the third type has a three-layer laminated structure in which the non-magnetic layer 12C and the oscillating layer 13C are laminated in this order on the reference layer 11C.
  • a direct current can be injected by an upper electrode and a lower electrode (not shown).
  • the reference layer 11C and the non-magnetic layer 12C may be arranged in the reverse stacking order.
  • the thickness of the oscillation layer 13C is about 1 nm to 3 nm, and the thickness of the reference layer 11C is thicker than that of the oscillation layer 13C.
  • the magnetization of each of the reference layer 11C and the oscillation layer 13C is directed toward the inside of the layer when not excited. Further, in order to suppress magnetic anisotropy due to the shape, the three-layer laminated structure is generally made into a columnar shape.
  • the third type Similar to the spin valve type element 10B according to the two types, a torque (STT) acts on the oscillating layer 13C, and the magnetization moves so as to shift around a vertical axis orthogonal to the in-layer direction. At that time, in half of the orbit, the torque (STT) gives the energy of the precession, and in the other half, the torque (STT) takes the energy of the precession. See the magnetization of the oscillation layer 13C.
  • the spin valve type element 10C according to the third type can be configured with reference to Reference 3 below.
  • Reference 3 H. Kubota, et al., Appl. Phys. Express 6, 103003 (2013)
  • the magnetic vortex element has a three-layer laminated structure composed of a laminated body of a reference layer and a non-magnetic layer and an oscillating layer laminated on the laminated body, and the magnetization in the oscillating layer when not excited is generated. It has a spiral distribution.
  • the reference layer, the non-magnetic layer, and the oscillation layer are classified according to the functions performed by the respective layers, and the reference layer, the non-magnetic layer, and each layer of the oscillation layer are necessary intermediate layers and the like to perform the functions. Including the case where it is configured as a laminated body containing.
  • the magnetic vortex type element has many structures and characteristics common to the spin valve type element, and the structure and characteristics different from the spin valve type element will be mainly described below.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the outline of the magnetic vortex type element.
  • the magnetic vortex element 15 has a three-layer laminated structure in which the non-magnetic layer 17 and the oscillating layer 18 are laminated in this order on the reference layer 16.
  • the magnetic vortex element 15 is capable of injecting a direct current through an upper electrode and a lower electrode (not shown).
  • the reference layer 16 and the non-magnetic layer 17 may be arranged in the reverse stacking order.
  • the thickness of the oscillation layer 18 is set to about 3 nm to 10 nm, which is set to be larger than that of the oscillation layers 13A to 13C.
  • the three-layer laminated structure is generally made into a columnar shape.
  • the direction of magnetization in the oscillating layer 18 when not excited is significantly different from that of the spin valve type elements 10A to 10C, and when not excited, the magnetization of the oscillating layer 18 is vortex-shaped to form a magnetic vortex. are doing.
  • the center of the magnetic vortex (magnetic vortex core) is at the center point of the oscillation layer 18 when not excited.
  • the magnetic vortex is generated when the oscillating layer 18 is uniformly magnetized and the demagnetizing field generated at the edge is stronger than the exchange interaction magnetic field generated by the bending of the magnetization along the edge.
  • the magnetization of the reference layer 16 has both a spiral distribution (see FIG. 5) and an in-plane direction as in the oscillation layer 18.
  • the magnetic vortex element 15 when a direct current is injected into the reference layer 16, torque (STT) acts on the oscillation layer 18 due to the electron flow spin-polarized by the magnetization of the reference layer 16, and the magnetic vortex core becomes the oscillation layer. Rotate around the center of 18 as the center point. Due to this rotation, the average magnetization in the oscillation layer 18 changes at the rotation frequency, and a microwave magnetic field at this rotation frequency is generated.
  • the oscillation frequency is determined by the rotation frequency of the magnetic vortex core.
  • This rotation frequency is about an order of magnitude lower than the frequency of the microwave magnetic field based on the precession in the spin valve type elements 10A to 10C, and is about several hundred MHz to 2 GHz.
  • the magnetic vortex is structurally stable, and since the oscillating layer 18 has a thickness and a diameter larger than those of the oscillating layers 13A to 13C, it has an advantage of being excellent in heat stability.
  • the magnetic vortex type element 15 in which the generation of the microwave magnetic field is based on the rotation of the magnetic vortex core has an advantage that a sharper oscillation peak can be obtained than the spin valve type elements 10A to 10C based on the precession of magnetization.
  • the magnetic vortex element 15 can be configured with reference to Reference 4 below. Reference 4: V. S. Pribiag, et al., Nat. Phys. 3, 498 (2007)
  • the spin-orbit torque excitation type element has a two-layer laminated structure of a non-magnetic metal layer and an oscillation layer.
  • the spin-orbit torque excitation type device is not particularly limited, and a known device structure can be adopted.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the outline of the spin-orbit torque excitation type element.
  • the spin-orbit torque excitation type element 20 has a two-layer laminated structure in which the oscillation layer 22 is laminated on the non-magnetic metal layer 21. End electrodes (not shown) are connected to both ends of the non-magnetic metal layer 21, so that a direct current can be injected into the non-magnetic metal layer 21.
  • the non-magnetic metal layer 21 is formed of a metal having a large number of atoms such as platinum (Pt) and tantalum (Ta), and as a result, exhibiting a large spin-orbit interaction (SOI).
  • the thickness of the non-magnetic metal layer 21 is about 1 nm to 2 nm.
  • the oscillation layer 22 is formed in the same manner as the oscillation layer in the spin valve type element.
  • the frequency of the aging motion is the frequency of ferromagnetic resonance determined by the total effective magnetic field received by the magnetization of the oscillating layer 22 and the saturation magnetization of the oscillating layer 22, and belongs to the microwave region of several GHz to several tens of GHz.
  • the size of the constituent layers in the stacking direction and the layer of the constituent layers is 500 nm to 1 ⁇ m at the maximum, which contributes to easy integration with the miniaturization of the quantum bit cell.
  • the minimum size of each size is about 10 nm.
  • the microwave emitted from the spin torque oscillator is derived from the microwave magnetic field generated based on the precession of magnetization in the oscillation layer and the rotation of the magnetic vortex core, and the propagation distance thereof is 10 nm or more. It is 1 ⁇ m.
  • the spin torque oscillator forming process has an affinity with the conventional semiconductor manufacturing process and contributes to the easy integration of the quantum bit cell from the viewpoint of ease of manufacturing.
  • Solid element type qubit The solid-state element type qubits are arranged in the vicinity of the spin torque oscillator at intervals equal to or less than the propagation distance, and the quantum two-level system is controlled by the microwave.
  • the quantum two-level system is composed of two independent quantum states, and each quantum state is represented as a qubit holding one quantum information in two states,
  • the solid-state qubit becomes the microwave when it is irradiated with the microwave having an energy corresponding to ⁇ E.
  • Resonance causes the
  • the ⁇ E is set to 500 ⁇ eV or less, and most of them are about 0.5 ⁇ eV to 100 ⁇ eV.
  • the frequency of the electromagnetic wave having the energy corresponding to ⁇ E is 100 MHz to 24 GHz.
  • microwave means an electromagnetic wave belonging to a wavelength band of 100 MHz to 24 GHz. Note that FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the operating state of the solid-state element type qubit.
  • the solid-state qubit is not particularly limited, and examples thereof include superconducting qubit elements, semiconductor qubit elements, and various qubit elements classified as color center type qubit elements.
  • the superconducting qubit element is a qubit element constructed by using a superconductor material, and examples thereof include a flux qubit element, a charged qubit element such as a Transmon type, and a phase qubit element.
  • the semiconductor quantum bit element is a quantum bit element constructed by using a semiconductor material, and is, for example, a gate definition type quantum bit element, a MOSFET (electric field effect transistor) type quantum bit element, a donor type quantum bit element, or a TFET (.
  • a tunnel field effect transistor) type quantum bit element or the like can be mentioned.
  • these qubit elements are classified into charge qubit elements and spin qubit elements, focusing on the controlled information carrier of the quantum information, and the spin qubit elements are further classified into electron spin qubits. It may be classified and called as an element and a nuclear spin qubit element.
  • the color center type qubit is a qubit element in which a qubit is expressed by photoresponsiveness to a point defect in a crystal lattice.
  • a diamond NV center qubit element, a SiC silicon vacancy center qubit element, or the like is used. Can be mentioned.
  • the semiconductor qubit element which has a high affinity with the conventional semiconductor manufacturing process and contributes to the easy integration of the quantum bit cell, is preferable from the viewpoint of ease of manufacturing.
  • the semiconductor quantum bit elements the MOSFET type quantum bit element and the TFET type quantum bit element, that is, a semiconductor-containing layer in which a channel region composed of a semiconductor material is formed between a source portion and a drain portion.
  • the semiconductor quantum bit elements those having a transistor structure in which gate electrodes are arranged via an insulating oxide film are preferable, and those in which the semiconductor material is silicon are particularly preferable.
  • the semiconductor qubit element having such a structure many manufacturing facilities used in the conventional semiconductor manufacturing process can be used, which greatly contributes to the easy integration of the qubit cell from the viewpoint of ease of manufacturing. be able to.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the outline of the quantum bit cell according to the first embodiment.
  • the quantum bit cell 1 according to the first embodiment includes a spin valve type element 10 (see FIG. 1) as the spin torque oscillator and a semiconductor qubit element 50 as the solid element type qubit. Has.
  • the semiconductor qubit element 50 has a gate electrode 53 via an insulating oxide film 52 on the channel region of the semiconductor-containing layer 51 in which a channel region composed of a semiconductor material is formed between the source portion and the drain portion.
  • the surface side of the semiconductor-containing layer 51 on which the gate electrode 53 is formed is covered with a first contact layer 101 formed of an insulating material (for example, SiO 2 ) including the gate electrode 53.
  • the source portion of the semiconductor-containing layer 51 is connected to a metal electrode 104 formed so as to penetrate the first contact layer 101 in the thickness direction, and the drain portion of the semiconductor-containing layer 51 is connected to the first contact layer 101. It is connected to a metal electrode 103 formed by penetrating the metal electrode 103 in the thickness direction.
  • a spin valve type element 10 is arranged via a lower electrode 110 on a surface of the first contact layer 101 opposite to the side in contact with the semiconductor qubit element 50, and an upper electrode 111 is arranged on the spin valve type element 10. Will be done.
  • the lower electrode 110, the spin valve type element 10, and the upper electrode 111 are covered with a second contact layer 102 formed of the insulating material and laminated on the first contact layer 101.
  • the lower electrode 110 is connected to a metal electrode 107 embedded in the second contact layer 102 in the thickness direction
  • the upper electrode 111 is a metal embedded in the second contact layer 102 in the thickness direction. It is connected to the electrode 106.
  • an electrical connection to the spin valve type element 10 can be constructed.
  • a metal electrode 105 formed to penetrate in the thickness direction is arranged so as to be connected to the metal electrode 103, and a metal electrode 108 formed to penetrate in the thickness direction is provided. It is arranged so as to be connected to the metal electrode 104. This makes it possible to construct an electrical connection to the semiconductor qubit element 50.
  • the semiconductor qubit element 50 is placed in the vicinity of the spin valve type element 10 at intervals equal to or less than the propagation distance of the microwave emitted from the spin valve type element 10, and the quantum state can be controlled by the microwave.
  • the size of the spin valve type element 10 can be 1 ⁇ m or less at the maximum diameter. Therefore, the quantum bit cell 1 according to the first embodiment has a structure that can be built in a narrow region and can be easily integrated.
  • FIGS. 9 (a) to 9 (j) are cross-sectional views (1) to (10) for explaining the outline of the manufacturing process of the quantum bit cell 1 according to the first embodiment.
  • a base structure in which a semiconductor qubit element 50 (semiconductor-containing layer 51, insulating oxide film 52 and gate electrode 53), a first contact layer 101 and metal electrodes 103 and 104 are formed.
  • This underlying structure can be manufactured according to a conventional method for manufacturing MOSFET (field effect transistor) type qubits and TFET (tunnel field effect transistor) type qubits.
  • the lower electrode forming material layer 110', the reference layer forming material layer 11', the non-magnetic layer forming material layer 12', and the oscillation layer forming material are placed on the first contact layer 101.
  • the forming material of these layers is metal or an insulator, and these layers are formed by a vapor deposition method or a sputtering method.
  • the spin valve type element 10 is formed by lithography processing and dry etching processing using a first mask (not shown).
  • the lower electrode 110 is formed by lithographic processing and dry etching processing using a second mask (not shown).
  • the top layer of the spin valve type element 10 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) processing.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the second contact layer forming material layer 102' is formed so that a certain oscillation layer 13 is exposed.
  • the upper electrode forming material layer 111' is formed on the second contact layer forming material layer 102'by a sputtering method.
  • the upper electrode 111 is formed by lithographic processing and dry etching processing using a third mask (not shown).
  • the same insulating material is deposited on the second contact layer forming material layer 102'by a chemical vapor deposition (CVD), and the second contact layer 102 is deposited.
  • CVD chemical vapor deposition
  • contact holes 105'to 108' are formed in the second contact layer 102 by lithography processing and dry etching processing using a fourth mask (not shown). Further, as shown in FIG. 9J, the metal electrodes 105 to 108 are embedded and formed in the contact holes 105'to 108' by the metal plating method. Further, the electrical connection to the gate electrode 53 conforms to the metal electrodes 103 and 104 when the first contact layer 101 is formed at a position in FIG. 9 (j) in the back direction or the front direction of the paper surface avoiding the spin valve type element 10. It is constructed by forming a metal electrode and forming a metal electrode according to the metal electrodes 105 to 108 when the second contact layer 102 is formed.
  • the quantum bit cell 1 (see FIG. 8) according to the first embodiment is formed.
  • the configuration including the spin valve type element 10 has been described, but the magnetic vortex type element 15 (see FIG. 5) is used instead of the spin valve type element 10. It can also be formed according to the manufacturing process described with reference to FIGS. 9 (a) to 9 (j).
  • FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the outline of the quantum bit cell according to the second embodiment.
  • the quantum bit cell 1'according to the second embodiment includes a spin orbital torque excitation type element 20 (see FIG. 6) as the spin torque oscillator and a semiconductor qubit as the solid element type qubit. It differs from the qubit cell 1 according to the first embodiment in that it has an element 50 and a spin orbital torque excitation type element 20 is arranged in place of the spin valve type element 10 as the spin torque oscillator. Since the configuration other than this is the same as that of the quantum bit cell 1 according to the first embodiment, the same reference numerals are given and duplicate description will be omitted.
  • the size of the spin-orbit torque excitation type element 20 can be 1 ⁇ m or less at the maximum diameter. Therefore, the quantum bit cell 1'according to the second embodiment has a structure that can be built in a narrow region and easily integrated like the quantum bit cell 1 according to the first embodiment.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (i) are cross-sectional views (1) to (9) for explaining the outline of the manufacturing process of the quantum bit cell 1'according to the second embodiment.
  • a base structure in which a semiconductor qubit element 50 (semiconductor-containing layer 51, insulating oxide film 52 and gate electrode 53), a first contact layer 101 and metal electrodes 103 and 104 are formed First, as shown in FIG. 11A, a base structure in which a semiconductor qubit element 50 (semiconductor-containing layer 51, insulating oxide film 52 and gate electrode 53), a first contact layer 101 and metal electrodes 103 and 104 are formed. Manufacture things.
  • the non-magnetic metal layer forming material layer 21'and the oscillation layer forming material layer 22' are laminated in this order on the first contact layer 101 by a vapor deposition method or a sputtering method. Form.
  • the oscillation layer forming material layer 22' first forms the oscillation layer processing resist F R on.
  • the oscillation layer 22 is formed by dry etching.
  • the lithography processing and dry etching processing shown in FIGS. 11 (c) to 11 (e) show typical examples of these processing methods, and are used in other manufacturing processes for quantum bit cells 1, 1'. , A similar processing method can be applied.
  • the non-magnetic metal layer 21 is formed by lithography processing and dry etching processing using a second'mask.
  • the insulating material is deposited by a chemical vapor deposition (CVD) method to form a second contact layer 102 on the first contact layer 101.
  • CVD chemical vapor deposition
  • contact holes 105'to 108' are formed in the second contact layer 102 by lithographic processing using a third'mask and dry etching processing.
  • the metal electrodes 105 to 108 are embedded and formed in the contact holes 105'to 108' by the metal plating method.
  • the quantum bit cell 1'(see FIG. 10) according to the second embodiment is formed.
  • each of the manufacturing processes of the quantum bit cell 1 according to the first embodiment and the quantum bit cell 1'related to the second embodiment has an affinity with the conventional semiconductor manufacturing process, and can be easily integrated from the viewpoint of ease of manufacturing. Contribute.
  • the quantum bit cell 1'according to the second embodiment presents a more practical integration technique that is easier to manufacture than the quantum bit cell 1 according to the first embodiment. That is, in the manufacturing process of the quantum bit cell 1'according to the second embodiment (FIGS. 11A to 11I), the processing using the mask is three times using the first'mask to the third'mask. On the other hand, in the manufacturing process of the quantum bit cell 1 according to the first embodiment (FIGS.
  • the processing using the mask is 4 degrees using the 1st mask to the 4th mask. Therefore, in the quantum bit cell 1'according to the second embodiment, the number of steps of the manufacturing process can be reduced as compared with the quantum bit cell 1 according to the first embodiment, and the manufacturing process itself is complicated by multiple adjustment of the mask position and the like. Can be avoided. Further, regarding the formation of the contact holes 106'and 107' with respect to the second contact layer 102, the quantum bit cell 1'according to the second embodiment can be formed at the same depth, whereas the quantum bit cell 1 according to the first embodiment can be formed. Then, it is formed at different depths.
  • the second embodiment in which the contact holes 106'and 107'are formed at the same depth because the difficulty of forming the contact holes increases when the depths differ greatly depending on the thickness of the spin valve type element 10 and the thickness of the upper electrode 111.
  • the manufacturing process of the quantum bit cell 1 ′ according to the above can be simplified as compared with the quantum bit cell 1 according to the first embodiment.
  • the quantum bit integrated circuit of the present invention is configured by arranging a plurality of the quantum bit cells of the present invention.
  • the spin torque oscillator in one qubit cell and the solid element type qubit in the other qubit cell are emitted from the spin torque oscillator.
  • the microwaves are spaced apart by a distance exceeding the propagation distance of the microwave. That is, in the case of such a configuration, a plurality of the quantum bit cells can be densely arranged in the quantum bit integrated circuit while suppressing crosstalk in the two adjacent quantum bit cells.
  • various configurations of a known qubit integrated circuit can be appropriately adopted as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the semiconductor qubit element having the transistor structure was manufactured as follows.
  • a SiO 2 insulating layer having a thickness of 145 nm and a p-type impurity having a thickness of 50 nm doped about 1 ⁇ 10 15 cm -3 are doped onto the Si layer for a handle (the semiconductor-containing semiconductor). Layers) and the SOI wafers formed in this order were prepared. Next, a protective oxide film having a thickness of 5 nm was formed on the semiconductor layer of the SOI wafer. Next, a first resist layer having a thickness of 200 nm was formed on the protective oxide film by electron beam lithography.
  • the first resist layer was removed by an oxygen ashing treatment, and the surface was washed with SPM (Sulfuric Acid Peroxide Mixture).
  • SPM sulfuric Acid Peroxide Mixture
  • a mixture of H 2 SO 4 and H 2 SO 4 at a ratio of 4: 1 was used as a cleaning liquid, and the cleaning treatment was performed at a temperature of 120 ° C.
  • a second resist layer having a thickness of 200 nm was formed on the protective oxide film washed with SPM.
  • ion implantation using BF 2 was performed from the protective oxide film with an acceleration energy of 5 keV and a dose amount of 2 ⁇ 10 15 cm- 2 , and the ions were implanted into the semiconductor layer.
  • the drain region (the drain portion) was formed.
  • the source region and the drain region were formed under the condition that the gate length between these regions was 60 nm.
  • the oxygen ashing treatment and the SPM cleaning are performed in the same manner as the method performed after the formation of the source region to remove the second resist layer and clean the surface of the protective oxide film after removal. did.
  • under atmospheric pressure of N 2 gas atmosphere for 1 second at a temperature of 1,000 ° C., and activation annealing process, the respective impurity material in the source region and the drain region were activated.
  • the N acceleration energy and dose 5 ⁇ 10 13 cm -2 of 15keV ions A quantum dot-forming semiconductor region containing the quantum dot-forming impurities Al and N was formed on each surface layer side of the semiconductor layer capable of forming a channel region between the source region, the drain region, and these regions by implantation. .. Then, under atmospheric pressure of N 2 gas atmosphere, 450 ° C. 60 hours at a temperature of, and activation annealing treatment, the Al and N in the quantum dot formation semiconductor region were activated.
  • the protective oxide film was removed using 1% concentration of dilute hydrofluoric acid (DHF). Then, SC2 using a cleaning solution (a mixed solution of HCl and H 2 O 2), and washed for 5 minutes at a temperature of 80 ° C.. Next, HfO 2 was deposited under a temperature condition of 250 ° C. by the ALD method to form the insulating oxide film (gate insulating film) having a thickness of 3.6 nm on the quantum dot-forming semiconductor region. The thickness of the insulating oxide film is 1.5 nm in terms of the SiO 2 film thickness (EOT: Equivalent Oxide Tickness).
  • EOT Equivalent Oxide Tickness
  • an electrode layer having a laminated structure in which TaN (thickness 10 nm) and poly-Si (thickness 50 nm) was laminated on the insulating oxide film was formed with a thickness of 60 nm.
  • the insulating oxide film and the electrode layer are formed by lithography processing using a mask, and the source electrode and the drain made of the material for forming the electrode layer are formed on the source region and the drain region.
  • An electrode was formed, and the gate electrode made of a material for forming the electrode layer was formed on the channel region via the insulating oxide film.
  • the semiconductor qubit element having the transistor structure was manufactured as the solid element type qubit in the example.
  • the characteristics of the solid-state qubit in the examples were measured as follows. First, the SOI wafer used for forming the element of the solid-state element-type qubit in the examples was cut, and a small piece containing the solid-state element-type qubit was cut out. Next, the small pieces are mounted on a device evaluation package (C-DIP manufactured by Kyocera Corporation) with silver paste, and the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode are respectively attached to the electrode on the device evaluation package side. They were connected by wire bonding to form a sample for measurement. Next, this measurement sample was inserted into the cooling section inside the refrigerator (STD TESLATRON 14T SYSTEM GA manufactured by Oxford Instruments) and mounted.
  • C-DIP device evaluation package
  • a microwave irradiation electric wire was arranged at a position in the cooling unit several mm away from the small piece.
  • the electrode on the element evaluation package side and the microwave irradiation electric wire were connected to an externally installed measuring device group by wiring in the refrigerator.
  • a voltage source (7651 programable DC source manufactured by Yokogawa Test & Measurement Corporation) was connected to each of the electrodes on the device evaluation package side connected to the drain electrode and the gate electrode.
  • an amplifier current amplifier 1211 manufactured by DL Instruments
  • the obtained current is a voltage.
  • the value was measured with a digital multimeter (34401A manufactured by Keysight Technology Co., Ltd.).
  • a microwave generator (E8257D manufactured by Keysight Technology Co., Ltd.) was connected to the microwave irradiation electric wire.
  • the electrode on the device evaluation package side connected to the source electrode is grounded.
  • the refrigerator is provided with an external magnetic field application mechanism, whereby an external magnetic field can be applied to the small piece.
  • an external magnetic field of 0.276T was applied, and 0.33V, respectively, was applied to the drain electrode and the gate electrode using the voltage source.
  • a voltage of ⁇ 0.36 V was applied.
  • the frequency is set to 9.01 MHz and the output power is set to -14 dBm for the microwave generator, and the small pieces are irradiated with the microwave shaped into a pulse shape from the microwave irradiation electric wire to make an alternating magnetic field.
  • a magnetic field was applied to the solid-state quantum bit.
  • the output power here is a set value of the microwave generator, and since there is power attenuation according to the distance between the microwave irradiation electric wire and the solid-state qubit, it is actually It is different from the strength of the AC magnetic field applied to the solid-state qubit.
  • the pulsed microwave was irradiated as a pulse train in which a large number of pulses having a pulse length ⁇ were continuously connected in a period T.
  • the period T was set to 2 ⁇ s
  • the pulse length ⁇ was set to a maximum of 1 ⁇ s.
  • the pulse length ⁇ is equal to the irradiation time of the microwave for the solid-state qubit.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining the outline of the pulsed microwave used for the measurement.
  • FIG. 13 shows the measurement results with the drain current change before and after the pulse train irradiation on the vertical axis and the pulse length on the horizontal axis.
  • current oscillation depending on the pulse length is observed. This is a Rabi vibration indicating a qubit operation, and indicates that the quantum states of
  • the current changes upward due to the presence of the background current, and the amplitude is attenuated as the quantum state is relaxed.
  • P 0 indicates the magnitude of the Rabi vibration
  • ⁇ R indicates the angular frequency of the Rabi vibration
  • g is the g factor of the electron which becomes a qubit.
  • ⁇ B indicates Bohr magneton (physical constant)
  • h- (H-bar) indicates Planck's constant
  • B x indicates the alternating magnetic field strength applied to the solid-state qubit.
  • the g-factor is calculated to be 2.3 from another experiment.
  • the angular frequency ⁇ R is calculated from the period (0.25 ⁇ s) of the Rabi vibration P 0 observed from FIG. 13, and the alternating magnetic field strength B x is obtained to be about 0. It will be 5 mT. Therefore, it can be seen that the quantum bit operation of the solid-state qubit shown in FIG. 13 is realized with an alternating magnetic field strength of about 0.5 mT. In general, it is required to realize the qubit operation with an alternating magnetic field strength of about 0.1 mT to several mT, and the qubit operation of the solid-state quantum bit in the embodiment has suitable operating characteristics. It can be said to have.
  • the spin valve type element (the third type) was manufactured as follows.
  • FIG. 14 is a schematic view showing the layer structure of the spin torque oscillator in the embodiment. Specifically, a buffer layer 35, a reference layer 31, a non-magnetic layer 32, an oscillation layer 33, and a cap layer 36 are placed on a silicon substrate (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., thermal oxide film 500 nm, N type, crystal orientation (100)). And the protective layer 37 was formed in this order and manufactured.
  • Each layer is formed by using a sputtering device (C-7100 manufactured by Canon Anelva Corporation) to perform high-frequency magnetron sputtering targeting the material for forming each layer under an ultra-high vacuum ( 10-6 Pa to 10-7 Pa). It was carried out by.
  • the buffer layer 35 was formed by laminating a Ta layer having a thickness of 5 nm, a Cu layer having a thickness of 20 nm, and a Ta layer having a thickness of 3 nm in this order from the silicon substrate side.
  • the reference layer 31 is a PtMn layer (antiferromagnetic layer) 31a having a thickness of 15 nm, a CoFe layer (ferromagnetic layer) 31b having a thickness of 3 nm, a Ru layer 31c having a thickness of 0.8 nm, and CoFeB having a thickness of 3 nm from the buffer layer 35 side.
  • the layer (ferromagnetic layer) 31d was formed by laminating in this order.
  • the directions of magnetization in the CoFe layer (ferromagnetic layer) 31b and the CoFeB layer (ferromagnetic layer) 31d are both in-layer directions, and one is in-layer direction opposite to the other.
  • the non-magnetic layer 32 was an MgO layer having a thickness of 1 nm, and was formed as the magnetic tunnel junction (MTJ) film.
  • the oscillation layer 33 is a FeB layer (ferromagnetic oscillation layer) having a thickness of 2 nm, and vertical magnetic anisotropy is induced at the interface between the non-magnetic layer 32 and the cap layer 36, and the magnetization is orthogonal to the in-layer direction at the time of excitation. It was formed as a layer that moves like a precession around the vertical axis.
  • the cap layer 36 was formed as an MgO layer having a thickness of less than 1 nm.
  • the protective layer 37 was formed by laminating a Ru layer having a thickness of 7 nm and a Ta layer having a thickness of 5 nm from the cap layer 36 side in this order.
  • MTJ ferromagnetic tunnel junction
  • FIGS. 15 (a) to 15 (i) are schematic views (1) to (9) showing a process of manufacturing an element.
  • the ferromagnetic tunnel junction (MTJ) type spin torque oscillator 30 and its forming material layer 30' are the reference layer and the non-magnetic layer laminated in the order of proximity to the silicon substrate for simplification of the drawing. And only three layers of the oscillation layer are symbolized and shown.
  • a specific description will be given.
  • a resist layer 41a was formed on the forming material layer 30'of the ferromagnetic tunnel junction type spin torque oscillator 30.
  • etching was performed using the resist layer 41a as a mask, and the shape of the forming material layer 30'was processed to form a ferromagnetic tunnel junction type spin torque oscillator 30.
  • the SiO 2 layer (insulating layer) 42 was deposited by sputtering, and the periphery of the ferromagnetic tunnel junction type spin torque oscillator 30 was covered with the SiO 2 layer 42.
  • the resist layer 41a was removed by lift-off.
  • FIG. 15 (e) a part of the SiO 2 layer 42 was removed by etching using a resist mask (not shown), so that a part of the reference layer was exposed.
  • FIG. 15 (f) an Au layer having a thickness of 200 nm is uniformly deposited by sputtering using a high-frequency magnetron sputtering device, and the upper electrode 43a is placed on the oscillation layer and the lower part is placed on the reference layer.
  • the electrode 43b was formed.
  • FIG. 15 (g) a resist layer 41b was formed on the upper electrode 43a and the lower electrode 43b.
  • the spin torque oscillator in the embodiment is made into an element.
  • the diameter d of the oscillation layer having a diameter smaller than that of the reference layer is 350 nm.
  • the RH curve measurement was performed by applying a bias magnetic field H B in the same direction as the stacking direction of the oscillation layers constituting the spin torque oscillator.
  • the measurement result of the RH curve measurement is shown in FIG.
  • the reluctance R AC is the largest when the magnetic field strength of the bias magnetic field H B is ⁇ 0.3 mT, and at this time, the difference from the smallest reluctance R AC (12.65 ⁇ ) is 1. It was .5 ⁇ . From this result, it is estimated that the MR ratio of the spin torque oscillator is 24%.
  • the measurement result of the oscillation spectrum measurement is shown in FIG. As shown in FIG. 17, the oscillation spectrum of the spin torque oscillator had a peak near 9.01 MHz, and the oscillation frequency of the spin torque oscillator was 9.0077 GHz. This oscillation frequency is equal to the frequency (9.01 GHz) of the microwave generator used at the time of verifying the operation of the individual element type qubit in the embodiment, and can be applied to the operation of the individual element type qubit.
  • the operation of the solid-state qubit in the examples has been confirmed under a magnetic field strength of about 0.5 mT. Therefore, in addition to the characteristics of the oscillation frequency, the relationship between the magnetic field strength applicable to the solid-state qubit by the spin torque oscillator and the distance between them was calculated.
  • the angle ⁇ p of the precession motion at the time of excitation in the oscillation layer constituting the spin torque oscillator is calculated to be 46 °, where the apex angle of the cone drawn by the trajectory of the precession motion shown in FIG. 18 is 2 ⁇ p.
  • the angle ⁇ p of this precession was calculated using the MR ratio (24%) based on the formulas (2) to (4) in Reference 6 below. Note that FIG.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing an outline of the calculation target.
  • the ferromagnetic FeB which is a material for forming the oscillation layer in the spin torque oscillator, has magnetic characteristics and the same BCC crystal structure as those of CoFeB, which is more general as a material for forming the oscillation layer.
  • the Curie temperature of CoFeB is a very high temperature of 750K to 900K, and its saturation magnetization gradually increases as the temperature decreases (see Reference 7 below). Therefore, it is considered that the saturation magnetization of FeB also exhibits the same temperature dependence as CoFeB.
  • the MR ratio of the ferromagnetic tunnel junction (MTJ) type spin torque oscillator also increases as the temperature decreases (see References 8 and 9 below). Since the spin polarization rate is proportional to the MR ratio, it is considered that the spin polarization rate also exhibits the same temperature dependence as the MR ratio. Assuming that the magnitude of the current injected into the spin torque oscillator is constant, in a low temperature environment, the spin torque oscillator oscillates with a large amplitude as the spin polarization rate increases, and the saturation magnetization also increases. Therefore, it is assumed that the spin torque oscillator generates a larger alternating magnetic field due to these synergistic effects.
  • MTJ ferromagnetic tunnel junction
  • the oscillation frequency in the spin torque oscillator is determined by the total effective magnetic field felt by the oscillation layer. Since the anisotropic magnetic field generally increases at a low temperature (see Reference 7 below), it is expected that the oscillation frequency of the spin torque oscillator will increase in a low temperature environment. However, since the anisotropic magnetic field is only one of the total effective magnetic fields, it can be compensated by adjusting another magnetic field (for example, an externally applied magnetic field). It is the spectral line width that shows the most remarkable temperature dependence in the oscillation characteristics of the spin torque oscillator, and decreases as the temperature decreases.
  • the spin torque oscillator in the embodiment can be used for operating the solid-state element type qubit even in a low temperature environment by adjusting the externally applied magnetic field as necessary.
  • Reference 7 K.-M. Lee et al., AIP Advances 7, 065107 (2017)
  • Reference 8 S. Yuasa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 77, 031001 (2008)
  • Reference 9 S. G. Wang et al., Phys. Rev. B, 78, 180411 (2008)
  • the spin torque oscillator in the embodiment is configured as the ferromagnetic tunnel junction (MTJ) type spin torque oscillator, it is considered that the same (low temperature) operation is possible in other types of the spin torque oscillator. Be done. That is, although the spin torque oscillator has various oscillation characteristics such as frequency, output, and oscillation threshold current depending on the type, as understood through the following references 10 to 13, the saturation is approximately the same. Since various magnetic characteristics such as magnetization, the anisotropic magnetic field, and the spin polarization rate exhibit behavior consistent with the temperature dependence described above, it can be considered in the same manner as the spin torque oscillator in the embodiment.
  • Reference 10 M. L. Schneider et al., Phys. Rev. B 80, 144412 (2009) Reference 11: J.
  • the solid-state element type qubit and the spin torque oscillator are manufactured separately in order to clarify the individual characteristics, but the examples shown in FIGS. 11 (a) to 11 (i) show.
  • the quantum bit cell according to the present invention can be manufactured by integrally forming these.
  • 1,1'Quantum bit cell 10 10A, 10B, 10C
  • Spin valve type element 11,11A, 11B, 11C, 16,31 Reference layer 11'Reference layer forming material layer 12,12A, 12B, 12C, 17, 32 Non-magnetic Layer 12'Non-magnetic layer forming material layer 13, 13A, 13B, 13C, 18, 22, 33 Oscillating layer 13'22' Oscillating layer forming material layer 15
  • Magnetic vortex type element 20
  • Spin orbit torque excitation type element 21
  • Non-magnetic metal layer 21'Non-magnetic metal layer forming material layer 30
  • ferromagnetic tunnel junction (MTJ) type spin torque oscillator 30' forming material layer 31a PtMn layer 31b CoFe layer 31c Ru layer 31d CoFeB layer 34 Silicon substrate 35 Buffer layer 36 Cap layer 37
  • Semiconductor quantum bit element 51 Including semiconductor layer 52

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Abstract

【課題】本発明は、集積化させ易い構造の量子ビットセル及び量子ビット集積回路を提供することを課題とする。 【解決手段】本発明の量子ビットセルは、伝搬距離が１μｍ以下のマイクロ波を放出可能とされ、最大径が１μｍ以下であるスピントルク発振器と、前記伝搬距離以下の間隔で前記スピントルク発振器の近傍に配され、前記マイクロ波により量子２準位系が制御される固体素子型量子ビットと、を有することを特徴とする。

Description

量子ビットセル及び量子ビット集積回路
　本発明は、固体素子型量子ビットとスピントルク発振器とが配される量子ビットセル及び前記量子ビットセルが複数配される量子ビット集積回路に関する。
　マイクロ波により量子２準位系が制御される固体素子型量子ビットの研究が進められている。
　前記固体素子型量子ビットは、一般に１００ｍＫ以下といった極低温の動作環境を必要とし、クライオスタット等の極低温用の温度管理装置内に配される。
　前記マイクロ波は、量子ビットの状態制御のため、前記温度管理装置外に置かれたマイクロ波発生器を供給源とし、前記温度管理装置外から前記温度管理装置内に導入されて目的とする前記固体素子型量子ビットに供給される。
　例えば、前記マイクロ波発生器と接続された同軸ケーブルにより前記マイクロ波を前記温度管理装置外から前記温度管理装置内に導入した後、前記温度管理装置内に配されたマルチプレクサ及び高周波伝送路を介して、適宜分配された状態の前記マイクロ波を個々の前記固体素子型量子ビットに伝送することが行われている（非特許文献１参照）。
　しかしながら、前記高周波伝送路は、電力供給用の配線と異なり、サイズが大きく、また、前記マイクロ波を伝送するための形状制約を伴うことから、大面積化し易いうえ、製造しにくく、前記固体素子型量子ビットを多数配して構成されるマルチビット集積回路の構築を妨げる要因となる。
　また、前記高周波伝送路は、目的とするものとは別の前記固体素子型量子ビットにも影響を与える、いわゆるクロストークを発生させ易く、個々の前記固体素子型量子ビットに対する選択的な動作を妨げる要因ともなる。
　前記クロストークの問題については、前記高周波伝送路の伝送先にマイクロマグネットを配し、前記マイクロ波の照射を受けて前記マイクロマグネットが発生させる傾斜磁界により、目的とする前記固体素子型量子ビットに前記マイクロ波を選択的に供給することも行われている（非特許文献２参照）。
　しかしながら、前記マイクロマグネットは、数十μｍオーダーのサイズを持ち、前記固体素子型量子ビットのサイズと比べて遥かに大きいことから、却って、前記固体素子型量子ビットの集積化に対する妨げとなる。
Bishnu Patra, et al., IEEE J. Solid-State Circuits 53, 309 (2018) M. PIORO-LADRIERE, et al., Nature Physics 4, 776 (2008)
　本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、集積化させ易い構造の量子ビットセル及び量子ビット集積回路を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するための手段としては、次の通りである。即ち、
　＜１＞　伝搬距離が１μｍ以下のマイクロ波を放出可能とされ、最大径が１μｍ以下とされるスピントルク発振器と、前記伝搬距離以下の間隔で前記スピントルク発振器の近傍に配され、前記マイクロ波により量子２準位系が制御される固体素子型量子ビットと、
　を有することを特徴とする量子ビットセル。
　＜２＞　スピントルク発振器が、非磁性金属層と発振層との２層積層構造を有するスピン軌道トルク励起型素子で構成される前記＜１＞に記載の量子ビットセル。
　＜３＞　スピントルク発振器が、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに非励起時の前記発振層における磁化が一の方向を向くように構成されるスピンバルブ型素子で構成される前記＜１＞に記載の量子ビットセル。
　＜４＞　スピントルク発振器が、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに非励起時の前記発振層における磁化が渦状分布とされる磁気渦型素子で構成される前記＜１＞に記載の量子ビットセル。
　＜５＞　固体素子型量子ビットが、半導体量子ビット素子で構成される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の量子ビットセル。
　＜６＞　半導体量子ビット素子が、ソース部とドレイン部との間に半導体材料で構成されるチャネル領域が形成される含半導体層上に絶縁酸化膜を介してゲート電極が配されるトランジスタ構造を有する前記＜５＞に記載の量子ビットセル。
　＜７＞　前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の量子ビットセルが複数配されることを特徴とする量子ビット集積回路。
　＜８＞　隣接する２つの量子ビットセルにおいて、一の前記量子ビットセルにおけるスピントルク発振器と他の前記量子ビットセルにおける固体素子型量子ビットとが、前記スピントルク発振器から放出されるマイクロ波の伝搬距離を超える距離だけ離間して配される前記＜７＞に記載の量子ビット集積回路。
　本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、集積化させ易い構造の量子ビットセル及び量子ビット集積回路を提供することができる。
スピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。 第１タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。 第２タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。 第３タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。 磁気渦型素子の概要を説明するための説明図である。 スピン軌道トルク励起型素子の概要を説明するための説明図である。 固体素子型量子ビットの動作状況を説明するための説明図である。 第１実施形態に係る量子ビットセルの概要を説明するための断面図である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（１）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（２）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（３）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（４）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（５）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（６）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（７）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（８）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（９）である。 第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（１０）である。 第２実施形態に係る量子ビットセルの概要を説明するための断面図である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（１）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（２）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（３）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（４）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（５）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（６）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（７）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（８）である。 第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（９）である。 測定に用いたパルス状のマイクロ波の概要を説明するための説明図である。 パルス列照射前後のドレイン電流変化を縦軸、パルス長を横軸とした測定結果を示す図である。 実施例におけるスピントルク発振器の層構成を示す模式図である。 素子作製のプロセスを示す模式図（１）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（２）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（３）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（４）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（５）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（６）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（７）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（８）である。 素子作製のプロセスを示す模式図（９）である。 Ｒ－Ｈカーブ測定の測定結果を示す図である。 発振スペクトル測定の測定結果を示す図である。 発振層における励起時の歳差運動の軌跡を示す模式図である。 計算対象の概要を示す模式図である。
（量子ビットセル）
　本発明の量子ビットセルは、スピントルク発振器と、固体素子型量子ビットとを有する。
＜スピントルク発振器＞
　前記スピントルク発振器は、伝搬距離が１μｍ以下のマイクロ波を放出可能とされ、最大径が１μｍ以下とされる。
　前記スピントルク発振器としては、このような特徴を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、公知のスピンバルブ型素子、磁気渦型素子、スピン軌道トルク励起型素子を挙げることができる。
－スピンバルブ型素子－
　前記スピンバルブ型素子は、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに、非励起時の前記発振層における磁化が一の方向を向くように構成される。なお、前記参照層、前記非磁性層及び前記発振層は、各層が果たす機能により分類され、前記参照層、前記非磁性層及び前記発振層の各層が、機能を果たす上で必要な中間層などを含む積層体として構成される場合を含む。
　前記スピンバルブ型素子の代表的な構造を図１に示す。なお、図１は、前記スピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。
　図１に示すように、スピンバルブ型素子１０は、参照層１１上に非磁性層１２と発振層１３とがこの順で積層された３層積層構造を有する。なお、スピンバルブ型素子１０は、図示しない上部電極及び下部電極により、直流電流が注入可能とされる。また、参照層１１と非磁性層１２とは、図示と異なり、積層順を逆にして配されていてもよい。
　参照層１１及び発振層１３は、それぞれ磁性材料で形成される磁性層であり、これら２つの磁性層における磁化の相対角（図１中の「θ」参照）により、スピンバルブ型素子１０の電気抵抗が変化する。この現象は、磁気抵抗（Magneto-Resistance，MR）効果と呼ばれる。一般的に、参照層１１及び発振層１３における２つの磁化が並行（相対角が０度）のときに電気抵抗が最小となり、反並行（相対角が１８０度）のときに電気抵抗が最大となる。
　前記３層積層構造の膜は、非磁性層１２が金属で形成される場合、巨大磁気抵抗（Giant Magneto-Resistance，GMR）膜に分類され、非磁性層１２が絶縁体で形成される場合、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）膜に分類される。
　前記巨大磁気抵抗膜として構成する場合、参照層１１及び発振層１３としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）及びこれらの合金並びにホイスラー合金等で形成され、非磁性層１２としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等で形成される。
　また、前記磁気トンネル接合膜として構成する場合、参照層１１及び発振層１３としては、例えば、ＣｏＦｅ及びこれにボロン（Ｂ）を付加したＣｏＦｅＢ合金等で形成され、非磁性層１２としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等で形成される。
　参照層１１は、厚みを発振層１３よりも厚くすること、形成材料に反強磁性体を用いて得られるピン止め効果及び大きな磁気異方性等により、参照層１１における磁化が励起時に動かないように構成される。
　一方、発振層１３は、参照層１１よりも厚みが薄く、発振層１３における磁化が励起時に動くように構成される。
　参照層１１に電子流が注入されると、参照層１１の磁化と並行なスピンを持つ電子が参照層１１の磁化と反並行なスピンを持つ電子よりも増加する。
　こうしてスピン偏極した電子流が非磁性層１２を通過して発振層１３に注入されると、電子のスピンが発振層１３の磁化に移行する過程でトルク（Spin Transfer Torque，STT）を及ぼし、発振層１３に磁化の歳差運動が励起される。
　これにより、参照層１１及び発振層１３における２つの磁化の相対角、ひいてはスピンバルブ型素子１０の電気抵抗が磁化の歳差運動の周波数で変化することとなる。また、スピンバルブ型素子１０に直流電流を注入すると、磁化の歳差運動により変化する電気抵抗と注入される直流電流との積で与えられる高周波電圧が発生する。
　よって、発振層１３の磁化の歳差運動に基づき、スピンバルブ型素子１０の周囲に高周波磁場が発生する。
　前記量子ビットセルでは、こうした高周波磁場に基づき、スピンバルブ型素子１０の周囲に局所的に発生するマイクロ波を前記固体素子型量子ビットの操作に用いる。
　スピンバルブ型素子１０は、代表的な構造を例示するものであり、磁化の特徴により次の第１タイプ～第３タイプに分類できる。
　先ず、第１タイプに係るスピンバルブ型素子を、図２を参照しつつ説明する。なお、図２は第１タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。
　図２に示すように第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａは、参照層１１Ａ上に非磁性層１２Ａと発振層１３Ａとがこの順で積層された３層積層構造を有する。なお、第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａは、図示しない上部電極及び下部電極により、直流電流が注入可能とされる。また、参照層１１Ａと非磁性層１２Ｂとは、図示と異なり、積層順を逆にして配されていてもよい。
　第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａでは、発振層１３Ａの厚みが１ｎｍ～３ｎｍ程度とされる。
　また、第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａでは、非励起時において、参照層１１Ａ及び発振層１３Ａの磁化が層内方向を向くように構成される。
　また、形状による磁気異方性を利用するため、一般に前記３層積層構造が楕円柱状となるように加工される。
　発振層１３Ａの磁化は、非励起時で外部磁場、内部異方性磁場等で決まる平衡条件を満たす層内の特定の方向（初期方向）を向いており、参照層１１Ａに直流電流が注入されると、発振層１３Ａの磁化が動き、前記平衡条件における前記初期方向の周囲を歳差運動する。
　歳差運動の周波数は、発振層１３Ａの磁化が受けるトータルの有効磁場と発振層１３Ａの飽和磁化とによって決まる強磁性共鳴の周波数となり、数ＧＨｚ～数１０ＧＨｚのマイクロ波領域に属する。
　よって、第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａでは、直流電流を注入することにより、歳差運動を励起して周囲にマイクロ波磁界を発生させることができる。
　なお、第１タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ａとしては、下記参考文献１を参考として構成することができる。
　参考文献１：S. I. Kiselev, et al., Nature 425, 380 (2003)
　次に、第２タイプに係るスピンバルブ型素子を、図３を参照しつつ説明する。なお、図３は、第２タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。
　図３に示すように第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂは、参照層１１Ｂ上に非磁性層１２Ｂと発振層１３Ｂとが、この順で積層された３層積層構造を有する。なお、第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂは、図示しない上部電極及び下部電極により、直流電流が注入可能とされる。また、参照層１１Ｂと非磁性層１２Ｂとは、図示と異なり、積層順を逆にして配されていてもよい。
　第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂでは、発振層１３Ｂの厚みが１ｎｍ～３ｎｍ程度とされ、参照層１１Ｂの厚みが発振層１３Ｂよりも厚く構成される。
　第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂでは、非励起時において、参照層１１Ｂの磁化が積層方向を向いており、発振層１３Ｂの磁化が層内方向を向いている。
　また、形状による磁気異方性を抑制するため、一般に前記３層積層構造が円柱状となるように加工される。
　第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂでは、参照層１１Ｂに直流電流が注入されると、参照層１１Ｂの垂直磁化によってスピン偏極した電子流により、発振層１３Ｂの磁化が層内方向から層内方向と直交する垂直軸に向かって立ち上がるようにトルク（STT）が働く。これにより、発振層１３Ｂの磁化は反磁場が作るトルクを受けて垂直軸の周りを歳差運動するように動く。
　歳差運動の周波数は、発振層１３Ｂの磁化が受けるトータルの有効磁場による強磁性共鳴の周波数となるが、発振層１３Ｂが受ける有効磁場の中には、自身による反磁界が含まれており、反磁界の大きさは、発振層１３Ｂの磁化の層内方向からの立ち上がり角度によって変化する。つまり、立ち上がり角度が大きくなるにつれ、反磁界も大きくなる。
　この立ち上がり角度は、参照層１１Ｂに注入された直流電流の大きさによって変化するため、第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂにおいても、直流電流の制御により歳差運動の励起強度を制御し、周囲にマイクロ波磁界を発生させることができる。
　なお、第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂとしては、下記参考文献２を参考として構成することができる。
　参考文献２：D. Houssameddine, et al., Nat. Mater. 6, 447 (2007)
　次に、第３タイプに係るスピンバルブ型素子を、図４を参照しつつ説明する。なお、図４は、第３タイプに係るスピンバルブ型素子の概要を説明するための説明図である。
　図４に示すように第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃは、参照層１１Ｃ上に非磁性層１２Ｃと発振層１３Ｃとがこの順で積層された３層積層構造を有する。なお、第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃは、図示しない上部電極及び下部電極により、直流電流が注入可能とされる。また、参照層１１Ｃと非磁性層１２Ｃとは、図示と異なり、積層順を逆にして配されていてもよい。
　第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃでは、発振層１３Ｃの厚みが１ｎｍ～３ｎｍ程度とされ、参照層１１Ｃの厚みが発振層１３Ｃよりも厚く構成される。
　第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃでは、非励起時において、参照層１１Ｃ及び発振層１３Ｃのそれぞれで磁化が層内方向を向いている。
　また、形状による磁気異方性を抑制するため、一般に前記３層積層構造が円柱状とされる。
　第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃでは、発振層１３Ｃの表面に垂直な方向（発振層１３Ｃの積層方向）の磁界を印加した条件で、参照層１１Ｃに直流電流が注入されると、第２タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｂと同様、発振層１３Ｃにトルク（STT）が働き、層内方向と直交する垂直軸の周りを歳差運動するように磁化が動く。その際、その軌道の半分では、トルク（STT）が歳差運動のエネルギーを与え、もう半分では、トルク（STT）が歳差運動のエネルギーを奪う形となるが、発振層１３Ｃの磁化が参照層１１Ｃの磁化と並行側に傾いている場合と、発振層１３Ｃの磁化が参照層１１Ｃの磁化と反並行側に傾いている場合とでは、トルク（STT）の大きさが非対称であるため、トータルのエネルギー収支は、歳差運動一周のトータルでゼロとはならず、常に正となり、定常的に歳差運動が励起されることとなる。
　これにより、第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃにおいても、直流電流の注入により、発振層１３Ｃの磁化の歳差運動が励起されて周囲にマイクロ波磁界を発生させることができる。
　なお、第３タイプに係るスピンバルブ型素子１０Ｃとしては、下記参考文献３を参考として構成することができる。
　参考文献３：H. Kubota, et al., Appl. Phys. Express 6, 103003 (2013)
－磁気渦型素子－
　前記磁気渦型素子は、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに、非励起時の前記発振層における磁化が渦状分布とされる。なお、前記参照層、前記非磁性層及び前記発振層は、各層が果たす機能により分類され、前記参照層、前記非磁性層及び前記発振層の各層が、機能を果たす上で必要な中間層などを含む積層体として構成される場合を含む。
　前記磁気渦型素子は、前記スピンバルブ型素子と共通した構造及び特性を多く有し、以下では、前記スピンバルブ型素子と異なる構造及び特性を中心に説明をする。
　前記磁気渦型素子の構造及び特性について図５を参照しつつ説明する。なお、図５は、磁気渦型素子の概要を説明するための説明図である。
　図５に示すように磁気渦型素子１５は、参照層１６上に非磁性層１７と発振層１８とがこの順で積層された３層積層構造を有する。なお、磁気渦型素子１５は、図示しない上部電極及び下部電極により、直流電流が注入可能とされる。また、参照層１６と非磁性層１７とは、図示と異なり、積層順を逆にして配されていてもよい。
　磁気渦型素子１５では、発振層１８の厚みが３ｎｍ～１０ｎｍ程度とされ、発振層１３Ａ～１３Ｃよりも大きく設定される。
　また、一般に前記３層積層構造が円柱状とされる。
　磁気渦型素子１５では、非励起時の発振層１８における磁化の向きがスピンバルブ型素子１０Ａ～１０Ｃと大きく異なり、非励起時において、発振層１８の磁化が渦状分布とされ、磁気渦を形成している。この磁気渦の中心（磁気渦コア）は、非励起時において、発振層１８の中心点にある。磁気渦は、発振層１８が一様に磁化される際、その縁で生じる減磁界が、縁に沿って磁化が曲がることにより生じる交換相互作用磁場よりも強いときに発現する。
　参照層１６の磁化は、非励起時において、発振層１８と同様に渦状分布（図５参照）とされるもの、面内方向とされるものの両方がある。
　磁気渦型素子１５では、参照層１６に直流電流が注入されると、参照層１６の磁化によってスピン偏極した電子流により、発振層１８にトルク（STT）が働き、磁気渦コアが発振層１８の中心を中心点として、その周囲を回転する。この回転により、発振層１８における平均の磁化が回転周波数で変化し、この回転周波数でのマイクロ波磁場が発生する。
　磁気渦型素子１５では、スピンバルブ型素子１０Ａ～１０Ｃと異なり、発振の周波数が、磁気渦コアの回転周波数で決まる。この回転周波数は、スピンバルブ型素子１０Ａ～１０Ｃにおける歳差運動に基づくマイクロ波磁界の周波数よりも、一桁ほど低く、数１００ＭＨｚ～２ＧＨｚ程度とされる。
　一方、磁気渦は、構造的に安定であり、また、発振層１８が発振層１３Ａ～１３Ｃよりも大きな厚みと直径とで構成されることから、熱に対する安定性に優れる利点を有する。また、マイクロ波磁場の発生が磁気渦コアの回転に基づく磁気渦型素子１５では、磁化の歳差運動に基づくスピンバルブ型素子１０Ａ～１０Ｃよりも、鋭い発振ピークが得られる利点を有する。
　なお、磁気渦型素子１５としては、下記参考文献４を参考として構成することができる。
　参考文献４：V. S. Pribiag, et al., Nat. Phys. 3, 498 (2007)
－スピン軌道トルク励起型素子－
　前記スピン軌道トルク励起型素子は、非磁性金属層と発振層との２層積層構造を有する。
　前記スピン軌道トルク励起型素子としては、特に制限はなく、公知の素子構造を採用することができる。
　前記スピン軌道トルク励起型素子の素子構造を図６に示す。なお、図６は、前記スピン軌道トルク励起型素子の概要を説明するための説明図である。
　図６に示すように、スピン軌道トルク励起型素子２０は、非磁性金属層２１上に発振層２２が積層された２層積層構造を有する。なお、非磁性金属層２１の両端側に図示しない端部電極が接続され、非磁性金属層２１に直流電流が注入可能とされる。
　非磁性金属層２１としては、白金（Pt）、タンタル（Ta）といった原子数が大きく、その結果、大きなスピン軌道相互作用（Spin Orbit Interaction，SOI）を示す金属により形成される。
　非磁性金属層２１の厚みとしては、１ｎｍ～２ｎｍ程度とされる。
　また、発振層２２としては、前記スピンバルブ型素子における前記発振層と同様に形成される。
　非磁性金属層２１に直流電流を注入すると、スピン軌道相互作用（SOI）により、層内の電子流の向きと垂直な方向のスピンを持つ２つの電子（アップスピン、ダウンスピン）のうち、同一極性のもの同士が非磁性金属層２１の上面側と下面側とに分離して偏在する。
　すると、非磁性金属層２１上に積層される発振層２２に対し、スピン偏極した電子が注入され、発振層２２の層内で磁化の歳差運動が励起され、周囲にマイクロ波磁界が発生する。
　歳差運動の周波数は、発振層２２の磁化が受けるトータルの有効磁場と発振層２２の飽和磁化とによって決まる強磁性共鳴の周波数となり、数ＧＨｚ～数１０ＧＨｚのマイクロ波領域に属する。
　前記スピントルク発振器では、前記スピンバルブ型素子、前記磁気渦型素子、前記スピン軌道トルク励起型素子のいずれの素子構造を有する場合であっても、構成層の積層方向のサイズ及び構成層の層内方向のサイズのそれぞれが、最大でも５００ｎｍ～１μｍであり、前記量子ビットセルの小型化に伴う易集積化に寄与する。なお、前記各サイズは、最小のもので１０ｎｍ程度とされる。
　また、前記スピントルク発振器から放出されるマイクロ波としては、前記発振層における磁化の歳差運動及び前記磁気渦コアの回転に基づき発生するマイクロ波磁場に由来し、その伝搬距離としては、１０ｎｍ～１μｍである。よって、この伝搬距離以下の間隔で前記スピントルク発振器の近傍に前記固体素子型量子ビットを配することで、前記量子ビットセルの小型化に伴う易集積化に寄与する。
　また、後述の実施形態とともに説明するが、前記スピントルク発振器の形成プロセスは、従来の半導体製造プロセスと親和性を持ち、製造し易さの観点からも前記量子ビットセルの易集積化に寄与する。
＜固体素子型量子ビット＞
　前記固体素子型量子ビットは、前記伝搬距離以下の間隔で前記スピントルク発振器の近傍に配され、前記マイクロ波により量子２準位系が制御される。
　前記量子２準位系は、２つの独立した量子状態で構成され、前記各量子状態は、｜０＞状態と｜１＞状態との２つで１つの量子情報を保持する量子ビットとして表現される。
　図７に示すように、２つの前記量子状態間のエネルギー差をΔＥとすると、前記固体素子型量子ビットは、ΔＥに相当するエネルギーの前記マイクロ波の照射を受けたときに、前記マイクロ波と共鳴（ラビ共鳴）して｜０＞状態と｜１＞状態とが重なり、前記マイクロ波の照射時間に応じて、｜０＞状態と｜１＞状態とを、それらの中間状態をとりながら反復する、ラビ振動と呼ばれる振動を起こす。
　そのため、前記固体素子型量子ビットでは、前記マイクロ波の照射時間を制御することで、前記量子ビットの｜０＞状態、｜１＞状態及びこれらの中間状態である重ね合わせ状態を制御することができる。
　ΔＥとしては、５００μｅＶ以下とされ、その多くは０．５μｅＶ～１００μｅＶ程度である。このΔＥに相当するエネルギーの電磁波の周波数は、１００ＭＨｚ～２４ＧＨｚである。本明細書において、「マイクロ波」とは、１００ＭＨｚ～２４ＧＨｚの波長帯に属する電磁波を意味する。
　なお、図７は、前記固体素子型量子ビットの動作状況を説明するための説明図である。
　前記固体素子型量子ビットとしては、特に制限はなく、例えば、超伝導量子ビット素子、半導体量子ビット素子、カラーセンター型量子ビット素子として分類される各種量子ビット素子等が挙げられる。
　前記超伝導量子ビット素子は、超伝導体材料を利用して構成される量子ビット素子であり、例えば、磁束量子ビット素子、トランズモン型などの電荷量子ビット素子、位相量子ビット素子等が挙げられる。
　前記半導体量子ビット素子は、半導体材料を利用して構成される量子ビット素子であり、例えば、ゲート定義型量子ビット素子、MOSFET（電界効果トランジスタ）型量子ビット素子、ドナー型量子ビット素子、TFET（トンネル電界効果トランジスタ）型量子ビット素子等が挙げられる。なお、これらの量子ビット素子は、制御される前記量子情報の情報担体に着目して、電荷量子ビット素子とスピン量子ビット素子とに分類され、前記スピン量子ビット素子は、更に、電子スピン量子ビット素子と核スピン量子ビット素子とに分類されて呼称されることがある。
　前記カラーセンター型量子ビットは、結晶格子中の点欠陥に対する光応答性で量子ビットが表現される量子ビット素子であり、例えば、ダイヤモンドＮＶセンター量子ビット素子、ＳｉＣシリコン空孔センター量子ビット素子等が挙げられる。
　前記固体素子型量子ビットとしては、これらの中でも、従来の半導体製造プロセスとの親和性が高く、製造し易さの観点から前記量子ビットセルの易集積化に寄与する前記半導体量子ビット素子が好ましい。
　また、前記半導体量子ビット素子の中でも、前記MOSFET型量子ビット素子及び前記TFET型量子ビット素子、つまり、ソース部とドレイン部との間に半導体材料で構成されるチャネル領域が形成される含半導体層上に絶縁酸化膜を介してゲート電極が配されるトランジスタ構造を有するものが好ましく、更に、前記半導体材料がシリコンとされるものが特に好ましい。このような構造の前記半導体量子ビット素子とすると、従来の半導体製造プロセスで用いられる多くの製造設備を利用することができ、製造し易さの観点から前記量子ビットセルの易集積化に大きく寄与することができる。
［第１実施形態］
　次に、本発明の前記量子ビットセルの実施形態を図面を参照しつつ説明する。
　先ず、第１実施形態に係る量子ビットセルについて図８を参照しつつ説明する。なお、図８は、第１実施形態に係る量子ビットセルの概要を説明するための断面図である。
　図８に示すように、第１実施形態に係る量子ビットセル１は、前記スピントルク発振器としてのスピンバルブ型素子１０（図１参照）と、前記固体素子型量子ビットとしての半導体量子ビット素子５０とを有する。
　半導体量子ビット素子５０は、前記ソース部と前記ドレイン部との間に半導体材料で構成されるチャネル領域が形成される含半導体層５１の前記チャネル領域上に絶縁酸化膜５２を介してゲート電極５３が配されるトランジスタ構造を有する。
　含半導体層５１としては、ソース領域（前記ソース部）とドレイン領域（前記ドレイン部）との間にチャネル領域が形成された半導体層及びソース電極（前記ソース部）とドレイン電極（前記ドレイン部）との間に半導体材料によりチャネル領域が形成された層状構造物として構成することができる。
　含半導体層５１のゲート電極５３が形成される面側は、ゲート電極５３を含め絶縁材料（例えば、ＳｉＯ２）で形成される第１コンタクト層１０１で被覆される。
　含半導体層５１の前記ソース部は、第１コンタクト層１０１に対し厚み方向に貫通させて形成される金属電極１０４と接続され、また、含半導体層５１の前記ドレイン部は、第１コンタクト層１０１に対し厚み方向に貫通させて形成される金属電極１０３と接続される。
　第１コンタクト層１０１における半導体量子ビット素子５０と接する側と反対側の面上には、下部電極１１０を介してスピンバルブ型素子１０が配され、スピンバルブ型素子１０上に上部電極１１１が配される。
　下部電極１１０、スピンバルブ型素子１０及び上部電極１１１は、前記絶縁材料で形成されるとともに第１コンタクト層１０１上に積層される第２コンタクト層１０２で被覆される。
　下部電極１１０は、第２コンタクト層１０２に対し厚み方向に向けて埋設される金属電極１０７と接続され、また、上部電極１１１は、第２コンタクト層１０２に対し厚み方向に向けて埋設される金属電極１０６と接続される。これにより、スピンバルブ型素子１０に対する電気接続が構築可能とされる。
　また、第２コンタクト層１０２には、厚み方向に貫通させて形成される金属電極１０５が金属電極１０３と接続されるように配され、また、厚み方向に貫通させて形成される金属電極１０８が金属電極１０４と接続されるように配される。これにより、半導体量子ビット素子５０に対する電気接続が構築可能とされる。
　ここで、半導体量子ビット素子５０は、スピンバルブ型素子１０から放出される前記マイクロ波の伝搬距離以下の間隔でスピンバルブ型素子１０の近傍にされ、前記マイクロ波により量子状態が制御可能とされる。
　また、スピンバルブ型素子１０のサイズは、最大径で１μｍ以下とすることができる。
　したがって、第１実施形態に係る量子ビットセル１は、狭い領域に作り込むことができ、集積化させ易い構造とされる。
　次に、第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスについて、図９（ａ）～（ｊ）を参照しつつ説明する。なお、図９（ａ）～（ｊ）は、第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセスの概要を説明するための断面図（１）～（１０）である。
　先ず、図９（ａ）に示すように、半導体量子ビット素子５０（含半導体層５１、絶縁酸化膜５２及びゲート電極５３）、第１コンタクト層１０１及び金属電極１０３，１０４が形成された下地構造物を製造する。この下地構造物は、従来のMOSFET（電界効果トランジスタ）型量子ビット、TFET（トンネル電界効果トランジスタ）型量子ビットの製造方法に準じて製造することができる。
　次に、図９（ｂ）に示すように、第１コンタクト層１０１上に、下部電極形成材料層１１０’と参照層形成材料層１１’と非磁性層形成材料層１２’と発振層形成材料層１３’とをこの順で積層形成する。
　なお、これらの層は、形成材料が金属、絶縁体とされ、蒸着法又はスパッタ法により形成される。ここでは、形成材料が全て金属である場合を想定して説明を続ける。
　次に、図９（ｃ）に示すように、第１マスク（不図示）を用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工によりスピンバルブ型素子１０を形成する。
　また、図９（ｄ）に示すように、第２マスク（不図示）を用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工により下部電極１１０を形成する。
　次に、図９（ｅ）に示すように、第１コンタクト層１０１上に前記絶縁材料を堆積させた後、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）加工によりスピンバルブ型素子１０の最上層である発振層１３が露出するように第２コンタクト層形成材料層１０２’を形成する。
　次に、図９（ｆ）に示すように、スパッタ法により第２コンタクト層形成材料層１０２’上に上部電極形成材料層１１１’を形成する。
　また、図９（ｇ）に示すように、第３マスク（不図示）を用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工により上部電極１１１を形成する。
　次に、図９（ｈ）に示すように、化学気相堆積法（Chemical Vapor Deposition; CVD）により第２コンタクト層形成材料層１０２’上に同じ前記絶縁材料を堆積させて第２コンタクト層１０２を形成する。
　次に、図９（ｉ）に示すように、第４マスク（不図示）を用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工により第２コンタクト層１０２に対しコンタクトホール１０５’～１０８’を形成する。
　また、図９（ｊ）に示すように、金属めっき法によりコンタクトホール１０５’～１０８’に対し金属電極１０５～１０８を埋め込み形成する。
　また、ゲート電極５３に対する電気接続としては、図９（ｊ）における紙面奥方向又は手前方向でスピンバルブ型素子１０を避けた位置において、第１コンタクト層１０１の形成時に金属電極１０３，１０４に準じた金属電極を形成し、第２コンタクト層１０２の形成時に金属電極１０５～１０８に準じた金属電極を形成することで構築される。
　以上により、第１実施形態に係る量子ビットセル１（図８参照）が形成される。
　なお、第１実施形態に係る量子ビットセル１では、スピンバルブ型素子１０を有した構成で説明したが、スピンバルブ型素子１０に代えて磁気渦型素子１５（図５参照）を用いて構成することができ、また、図９（ａ）～（ｊ）を用いて説明した製造プロセスに準じて形成することができる。
［第２実施形態］
　次に、第２実施形態に係る量子ビットセルについて図１０を参照しつつ説明する。なお、図１０は、第２実施形態に係る量子ビットセルの概要を説明するための断面図である。
　図１０に示すように、第２実施形態に係る量子ビットセル１’は、前記スピントルク発振器としてのスピン軌道トルク励起型素子２０（図６参照）と、前記固体素子型量子ビットとしての半導体量子ビット素子５０とを有し、前記スピントルク発振器としてスピンバルブ型素子１０に代えてスピン軌道トルク励起型素子２０を配する点で、第１実施形態に係る量子ビットセル１と異なる。これ以外の構成は、第１実施形態に係る量子ビットセル１と同様であるため、同一符号で図示するとともに重複した説明を省略する。
　ここで、スピン軌道トルク励起型素子２０のサイズは、最大径で１μｍ以下とすることができる。
　したがって、第２実施形態に係る量子ビットセル１’は、第１実施形態に係る量子ビットセル１と同様に、狭い領域に作り込むことができ、集積化させ易い構造とされる。
　次に、第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスについて、図１１（ａ）～（ｉ）を参照しつつ説明する。なお、図１１（ａ）～（ｉ）は、第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセスの概要を説明するための断面図（１）～（９）である。
　先ず、図１１（ａ）に示すように、半導体量子ビット素子５０（含半導体層５１、絶縁酸化膜５２及びゲート電極５３）、第１コンタクト層１０１及び金属電極１０３，１０４が形成された下地構造物を製造する。
　次に、図１１（ｂ）に示すように、蒸着法又はスパッタ法により第１コンタクト層１０１上に、非磁性金属層形成材料層２１’と発振層形成材料層２２’とをこの順で積層形成する。
　次に、図１１（ｃ）に示すように、第１’マスクを用いたリソグラフィ加工により、発振層形成材料層２２’上に発振層加工用レジストＦＲを形成する。
　次に、図１１（ｄ）に示すように、ドライエッチング加工により発振層２２を形成する。
　次に、図１１（ｅ）に示すように、酸素アッシング処理及びレジスト除去剤（例えば、デュポン社製EKC683やSPM洗浄液（硫酸：過酸化水素＝４：１））での薬液処理により発振層加工用レジストＦＲを除去する。なお、図１１（ｃ）から図１１（ｅ）に示したリソグラフィ加工及びドライエッチング加工は、これらの加工法の代表例を示すものであり、量子ビットセル１，１’についての他の製造工程においても、同様の加工法を適用することができる。
　次に、図１１（ｆ）に示すように、第２’マスクを用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工により非磁性金属層２１を形成する。
　次に、図１１（ｇ）に示すように、化学気相堆積法（Chemical Vapor Deposition;CVD）により前記絶縁材料を堆積させ、第１コンタクト層１０１上に第２コンタクト層１０２を形成する。
　次に、図１１（ｈ）に示すように、第３’マスクを用いたリソグラフィ加工及びドライエッチング加工により第２コンタクト層１０２に対しコンタクトホール１０５’～１０８’を形成する。
　また、図１１（ｉ）に示すように、金属めっき法によりコンタクトホール１０５’～１０８’に対し金属電極１０５～１０８を埋め込み形成する。
　以上により、第２実施形態に係る量子ビットセル１’（図１０参照）が形成される。
　第１実施形態に係る量子ビットセル１及び第２実施形態に係る量子ビットセル１’の各製造プロセスは、ともに従来の半導体製造プロセスと親和性を持ち、製造し易さの観点からも易集積化に寄与する。
　中でも、第２実施形態に係る量子ビットセル１’では、第１実施形態に係る量子ビットセル１よりも製造し易く、より実用的な集積化技術を提示する。
　即ち、第２実施形態に係る量子ビットセル１’の製造プロセス（図１１（ａ）～（ｉ））では、マスクを用いた処理が第１’マスク～第３’マスクを用いた３度であるのに対し、第１実施形態に係る量子ビットセル１の製造プロセス（図９（ａ）～（ｊ））では、マスクを用いた処理が第１マスク～第４マスクを用いた４度であることから、第２実施形態に係る量子ビットセル１’では、第１実施形態に係る量子ビットセル１よりも製造プロセスの工程数を減らすことができるとともにマスク位置の多重調整等による製造プロセス自体の複雑化を避けることができる。
　また、第２コンタクト層１０２に対するコンタクトホール１０６’，１０７’の形成について、第２実施形態に係る量子ビットセル１’では、同じ深さで形成できるのに対し、第１実施形態に係る量子ビットセル１では、異なる深さでの形成となる。スピンバルブ型素子１０の厚み及び上部電極１１１の厚みによって深さが大きく異なる場合、コンタクトホール形成の難易度が増すことから、同じ深さでコンタクトホール１０６’，１０７’を形成する第２実施形態に係る量子ビットセル１’では、第１実施形態に係る量子ビットセル１よりも製造プロセスを簡単なものとすることができる。
（量子ビット集積回路）
　本発明の量子ビット集積回路は、本発明の前記量子ビットセルが複数配されて構成される。
　前記量子ビット集積回路では、隣接する２つの前記量子ビットセルにおいて、一の前記量子ビットセルにおける前記スピントルク発振器と他の前記量子ビットセルにおける前記固体素子型量子ビットとが、前記スピントルク発振器から放出される前記マイクロ波の前記伝搬距離を超える距離だけ離間して配されることが好ましい。
　即ち、このように構成される場合、隣接する２つの前記量子ビットセルにおけるクロストークを抑制しつつ、前記量子ビット集積回路に複数の前記量子ビットセルを密に配することができる。
　なお、上記説明以外の前記量子ビット集積回路の構成としては、本発明の効果を妨げない限り、公知の量子ビット集積回路についての諸構成を適宜採用することができる。
　本発明の前記量子ビットセルを構成する、前記固体素子型量子ビット及び前記スピントルク発振器のそれぞれが持つ特性を明らかにするため、これら固体素子型量子ビット及びスピントルク発振器を個別に製造し、特性の測定に供した。以下、具体的に説明する。
＜個体素子型量子ビットセルの製造＞
　実施例における前記固体素子型量子ビットとして、前記トランジスタ構造を有する前記半導体量子ビット素子を次のように製造した。
　先ず、ハンドル用Ｓｉ層上に、厚み１４５ｎｍのＳｉＯ２絶縁層（ＢＯＸ層）と、厚み５０ｎｍのｐ型不純物が１×１０１５ｃｍ－３程度ドープされたＳｉ製の前記半導体層（前記含半導体層）とが、この順で形成されたＳＯＩウエハを用意した。
　次に、このＳＯＩウエハの前記半導体層上に保護酸化膜を厚み５ｎｍで形成した。
　次に、電子線リソグラフィーにより、前記保護酸化膜上に厚み２００ｎｍの第１レジスト層を形成した。
　次に、前記第１レジスト層をマスクとして、５ｋｅＶの加速エネルギー及び２×１０１５ｃｍ－２のドーズ量で、前記保護酸化膜上からＡｓを用いたイオン注入を行い、前記半導体層内に前記ソース領域（前記ソース部）を形成した。
　次に、酸素アッシング処理により、前記第１レジスト層を除去し、表面をＳＰＭ（Ｓｕｌｆｕｒｉｃ　Ａｃｉｄ　Ｐｅｒｏｘｉｄｅ　Ｍｉｘｔｕｒｅ）洗浄した。ＳＰＭ洗浄は、洗浄液として、Ｈ２ＳＯ４とＨ２ＳＯ４を４：１の割合で混合させたものを用い、１２０℃の温度で洗浄処理を行った。
　次に、ＳＰＭ洗浄された前記保護酸化膜上に厚み２００ｎｍの第２レジスト層を形成した。
　次に、前記第２レジスト層をマスクとして、５ｋｅＶの加速エネルギー及び２×１０１５ｃｍ－２のドーズ量で、前記保護酸化膜上からＢＦ２を用いたイオン注入を行い、前記半導体層内に前記ドレイン領域（前記ドレイン部）を形成した。
　前記ソース領域及び前記ドレイン領域の形成は、これらの領域間のゲート長が６０ｎｍとなる条件で行った。
　次に、前記ソース領域形成後に行った方法と同様の方法で、前記酸素アッシング処理及び前記ＳＰＭ洗浄を行い、前記第２レジスト層を除去するとともに、除去後の前記保護酸化膜の表面を清浄化した。
　次に、Ｎ２ガス雰囲気の大気圧下で、１，０００℃の温度で１秒間、活性化アニール処理し、前記ソース領域及び前記ドレイン領域中の各不純物物質を活性化させた。
　次に、前記保護酸化膜側から、Ａｌを１５ｋｅＶの加速エネルギー及びドーズ量５×１０１３ｃｍ－２でイオン注入するとともに、Ｎを１５ｋｅＶの加速エネルギー及びドーズ量５×１０１３ｃｍ－２でイオン注入し、前記ソース領域、前記ドレイン領域及びこれら領域の間にチャネル領域を形成可能な前記半導体層の各表層側に、量子ドット形成不純物であるＡｌ及びＮを含む量子ドット形成半導体領域を形成した。
　次に、Ｎ２ガス雰囲気の大気圧下で、４５０℃の温度で６０時間、活性化アニール処理し、前記量子ドット形成半導体領域中のＡｌ及びＮを活性化させた。
　次に、１％濃度の希フッ酸（ＤＨＦ）を用いて、前記保護酸化膜を除去した。
　次に、ＳＣ２洗浄液（ＨＣｌとＨ２Ｏ２の混合液）を用い、８０℃の温度条件下で５分間洗浄した。
　次に、ＡＬＤ法により、２５０℃の温度条件下でＨｆＯ２を堆積させ、前記量子ドット形成半導体領域上に厚み３．６ｎｍの前記絶縁酸化膜（ゲート絶縁膜）を形成した。なお、この絶縁酸化膜の厚みは、ＳｉＯ２膜換算膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｏｘｉｄｅ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）で１．５ｎｍである。
　次に、スパッタリング法により、前記絶縁酸化膜上にＴａＮ（厚み１０ｎｍ）とｐｏｌｙ－Ｓｉ（厚み５０ｎｍ）とを積層させた積層構造の電極層を厚み６０ｎｍで形成した。
　次に、マスクを用いたリソグラフィー加工により、前記絶縁酸化膜及び前記電極層の形状を行い、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の各領域上に前記電極層の形成材料からなる前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成し、また、前記チャネル領域上に前記絶縁酸化膜を介して前記電極層の形成材料からなる前記ゲート電極を形成した。
　以上により、実施例における前記固体素子型量子ビットとして前記トランジスタ構造を有する前記半導体量子ビット素子を製造した。
＜個体素子型量子ビットの特性の測定＞
　実施例における前記個体素子型量子ビットの特性の測定を次のように行った。
　先ず、実施例における前記固体素子型量子ビットの素子形成に用いた前記ＳＯＩウエハを割断し、前記固体素子型量子ビットを含む小片を切り出した。
　次に、前記小片を素子評価用パッケージ（京セラ社製、C-DIP）上に銀ペーストでマウントし、前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極を、それぞれ前記素子評価用パッケージ側の電極にワイヤボンディングで接続し、測定用試料を形成した。
　次に、この測定用試料を冷凍機（オックスフォード・インストゥルメンツ社製、STD TESLATRON 14T SYSTEM GA）内の冷却部に挿入して搭載した。また、前記小片上の数ｍｍ離れた前記冷却部内の位置にマイクロ波照射用電線を配置した。
　次に、前記素子評価用パッケージ側の前記電極と前記マイクロ波照射用電線とを、前記冷凍機中の配線により外部設置の測定機器群に接続した。
　具体的には、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極と接続される前記素子評価用パッケージ側の前記各電極に対し、電圧源（横河計測社製、7651 programable DC source）を接続した。また、前記ドレイン電極と接続される前記素子評価用パッケージ側の前記電極に対し、電流を増幅し電圧として出力するアンプ（DL Instruments社製、電流増幅器1211）も接続し、得られる電流は、電圧値としてデジタルマルチメータ（キーサイト・テクノロジ社製、34401A）で測定した。前記マイクロ波照射用電線に対し、マイクロ波発生器（キーサイト・テクノロジ社製、E8257D）を接続した。なお、前記ソース電極と接続される前記素子評価用パッケージ側の前記電極は、接地させている。
　前記冷凍機は、外部磁場印加機構を備えており、これにより前記小片に外部磁場が印加可能とされる。
　次に、前記冷凍機の温度を１．５Ｋまで下げた後、０．２７６Ｔの外部磁場を印加するとともに、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極に対し、前記電圧源を用いて、それぞれ０．３３Ｖ、－０．３６Ｖの電圧を印加した。この状態で、前記マイクロ波発生器に対し、周波数を９．０１ＭＨｚ、出力電力を－１４ｄＢｍに設定し、パルス状に整形されたマイクロ波を前記マイクロ波照射用電線から前記小片に照射し、交流磁場を前記個体素子型量子ビットに印加した。
　なお、ここでの出力電力は、前記マイクロ波発生器の設定値であり、前記マイクロ波照射用電線と前記個体素子型量子ビットとの間の距離に応じた電力の減衰があるため、実際に前記個体素子型量子ビットに印加される交流磁場の強度と異なる。
　また、パルス状のマイクロ波は、図１２に示すように、パルス長τの多数のパルスが周期Ｔで連続的に連なるパルス列として照射した。なお、本測定では、周期Ｔを２μｓとし、パルス長τを最大１μｓとした。このような照射方法によれは、パルス長τが前記個体素子型量子ビットに対するマイクロ波の照射時間に等しいこととなる。
　なお、図１２は、測定に用いたパルス状のマイクロ波の概要を説明するための説明図である。
　パルス列照射前後のドレイン電流変化を縦軸、パルス長を横軸とした測定結果を図１３に示す。
　該図１３に示されるように、パルス長に依存した電流振動が観測されている。これは量子ビット動作を示すラビ振動であり、｜０＞と｜１＞との量子状態が、中間状態を介在して変化していることを示している。
　なお、図１３に示す測定結果では、背景電流の存在により右肩上がりに電流が変化し、また、量子状態の緩和に伴い振幅が減衰する結果となっている。
　ここで、理想的なラビ振動は、次式（１），（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、前記式（１），（２）中、Ｐ０は、ラビ振動の振動の大きさを示し、ωＲは、ラビ振動の角周波数を示し、ｇは、量子ビットとなる電子のｇ因子を示し、μＢは、ボーア磁子（物理定数）を示し、ｈ－（エイチバー）は、プランク定数を示し、Ｂｘは、前記個体素子型量子ビットに印加されている交流磁場強度を示す。なお、ｇ因子は、別の実験から２．３と計算される。
　前記式（１），（２）を用いて、図１３から観測されるラビ振動Ｐ０の周期（０．２５μｓ）から角周波数ωＲを計算し、交流磁場強度Ｂｘを求めると約０．５ｍＴとなる。
　よって、図１３に示される前記個体素子型量子ビットの量子ビット動作は、約０．５ｍＴの交流磁場強度で実現されていることが分かる。
　なお、一般的には、０．１ｍＴ～数ｍＴ程度の交流磁場強度で量子ビット動作を実現することが求められ、実施例における前記個体素子型量子ビットの量子ビット動作は、好適な動作特性を有するといえる。
＜スピントルク発振器の製造＞
　実施例における前記スピントルク発振器として、前記スピンバルブ型素子（前記第３タイプ）を次のように製造した。
　実施例における前記スピントルク発振器は、図１４に示す層構成で製造した。なお、図１４は、実施例における前記スピントルク発振器の層構成を示す模式図である。
　具体的には、シリコン基板（信越化学社製、熱酸化膜５００ｎｍ、Ｎ型、結晶方位（１００））上に、バッファー層３５、参照層３１、非磁性層３２、発振層３３、キャップ層３６及び保護層３７をこの順で形成して製造した。各層の形成は、スパッタリング装置（キヤノンアネルバ社製、C-7100）を用いて、各層の形成材料をターゲットとした高周波マグネトロンスパッタを超高真空（１０－６Ｐａ～１０－７Ｐａ）下で行うことで実施した。
　バッファー層３５は、前記シリコン基板側から厚み５ｎｍのＴａ層、厚み２０ｎｍのＣｕ層及び厚み３ｎｍのＴａ層をこの順で積層して形成した。
　参照層３１は、バッファー層３５側から厚み１５ｎｍのＰｔＭｎ層（反強磁性体層）３１ａ、厚み３ｎｍのＣｏＦｅ層（強磁性体層）３１ｂ、厚み０．８ｎｍのＲｕ層３１ｃ及び厚み３ｎｍのＣｏＦｅＢ層（強磁性体層）３１ｄをこの順で積層して形成した。ＣｏＦｅ層（強磁性体層）３１ｂ及びＣｏＦｅＢ層（強磁性体層）３１ｄにおける磁化の方向は、ともに層内方向とされ、かつ、一方が他方と逆の層内方向とされる。
　非磁性層３２は、厚み１ｎｍのＭｇＯ層とし、前記磁気トンネル接合（ＭＴＪ）膜として形成した。
　発振層３３は、厚み２ｎｍのＦｅＢ層（強磁性体発振層）とし、非磁性層３２及びキャップ層３６との界面において垂直磁気異方性が誘起されるとともに励起時に磁化が層内方向と直交する垂直軸の周りを歳差運動するように動く層として形成した。
　キャップ層３６は、厚み１ｎｍ未満のＭｇＯ層として形成した。
　保護層３７は、キャップ層３６側から厚み７ｎｍのるＲｕ層及び厚み５ｎｍのＴａ層をこの順で積層して形成した。
　以上により、実施例における前記スピントルク発振器として、前記シリコン基板上に形成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器３０を構成する。
　この強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器３０の構成及び形成方法により、図１５（ａ）～（ｉ）に示すプロセスで素子化を行った。なお、図１５（ａ）～（ｉ）は、素子作製のプロセスを示す模式図（１）～（９）である。また、図中、強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器３０及びその形成材料層３０’は、図面の簡単化のため、前記シリコン基板から近い順に積層された前記参照層、前記非磁性層及び前記発振層の３層のみをシンボル化して示している。以下、具体的に説明する。
　先ず、図１５（ａ）に示すように、強磁性トンネル接合型スピントルク発振器３０の形成材料層３０’上にレジスト層４１ａを形成した。
　次に、図１５（ｂ）に示すように、レジスト層４１ａをマスクとしたエッチングを行い、形成材料層３０’の形状を加工し、強磁性トンネル接合型スピントルク発振器３０を形成した。
　次に、図１５（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２層（絶縁層）４２をスパッタにより堆積し、強磁性トンネル接合型スピントルク発振器３０の周囲をＳｉＯ２層４２をで被覆した。
　次に、図１５（ｄ）に示すように、レジスト層４１ａをリフトオフにより除去した。
　次に、図１５（ｅ）に示すように、レジストマスク（不図示）を用いたエッチングにより、ＳｉＯ２層４２の一部を除去し、前記参照層の一部が露出された状態とした。
　次に、図１５（ｆ）に示すように、高周波マグネトロンスパッタ装置を用いたスパッタにより、厚み２００ｎｍのＡｕ層を一様に堆積させ、前記発振層上に上部電極４３ａ、前記参照層上に下部電極４３ｂを形成した。
　次に、図１５（ｇ）に示すように、上部電極４３ａ及び下部電極４３ｂ上にレジスト層４１ｂを形成した。
　次に、図１５（ｈ）に示すように、レジスト層４１ｂをマスクとしたエッチングを行い、上部電極４３ａの一部を除去し、上部電極４３ａと下部電極４３ｂとを分離した。
　次に、図１５（ｉ）に示すように、レジスト層４１ｂをリフトオフにより除去した。
　以上により、実施例における前記スピントルク発振器を素子化した。
　なお、製造した前記スピントルク発振器における、前記参照層よりも細径とした前記発振層の直径ｄは、３５０ｎｍである。
＜スピントルク発振器の特性の測定＞
　実施例における前記スピントルク発振器に対し、下記参考文献５に記載の測定方法により、前記Ｒ－Ｈカーブ測定及び発振スペクトル測定を行った。
　参考文献５：S. Tamaru, et al. “Bias field angle dependence of the self-oscillation of spin torque oscillators having a perpendicularly magnetized free layer and in-plane magnetized reference layer.” Applied Physics Express 7.6 (2014): 063005
　前記Ｒ－Ｈカーブ測定は、前記スピントルク発振器を構成する前記発振層の積層方向と同一方向のバイアス磁界ＨＢを印加して行った。前記Ｒ－Ｈカーブ測定の測定結果を図１６に示す。
　図１６に示すように、磁気抵抗ＲＡＣは、バイアス磁界ＨＢの磁界強度が－０．３ｍＴの時に最も大きく、この時、最も小さな磁気抵抗ＲＡＣ（１２．６５Ω）との差は、１．５Ωであった。
　この結果から、前記スピントルク発振器のＭＲ比は２４％であると見積もられる。
　前記発振スペクトル測定は、バイアス磁界ＨＢの磁界強度を４９０．５６ｍＴ、バイアス電圧ＶＢを－２２５ｍＶとし、また、バイアス磁界ＨＢの印加方向を前記スピントルク発振器を構成する前記発振層の面とのなす角が７８°となる方向として行った。前記発振スペクトル測定の測定結果を図１７に示す。
　図１７に示すように、前記スピントルク発振器の発振スペクトルは、９．０１ＭＨｚ付近にピークを持ち、前記スピントルク発振器の発振周波数は、９．００７７ＧＨｚであった。
　この発振周波数は、実施例における前記個体素子型量子ビットの動作検証時に用いた前記マイクロ波発生器の周波数（９．０１ＧＨｚ）に等しく、前記個体素子型量子ビットの動作に適用することができる。
　実施例における前記個体素子型量子ビットの動作は、約０．５ｍＴの磁場強度下で確認されている。
　そこで、前記発振周波数の特性に加え、前記スピントルク発振器が前記個体素子型量子ビットに印加可能な磁場強度とこれらの間の距離との関係を計算した。
　先ず、前記スピントルク発振器を構成する前記発振層における励起時の歳差運動の角度θｐは、図１８に示す歳差運動の軌跡で描かれる錐体の頂角を２θｐとして、４６°と計算される。なお、この歳差運動の角度θｐは、下記参考文献６における式（２）～（４）に基づき、前記ＭＲ比（２４％）を用いて計算した。なお、図１８は、前記発振層における励起時の歳差運動の軌跡を示す模式図である。
　参考文献６：B. Wang, et al. "Diameter dependence of emission power in MgO-based
nano-pillar spin-torque oscillators." Applied Physics Letters 108.25 (2016): 253502.
　次に、得られたθｐに基づき、図１９に示す前記発振層の磁化Ｍｆが周囲に発生させるマイクロ波磁界が、前記発振層の直上に距離ｒ離れた位置に及ぼす磁場強度を計算した。なお、この計算は、前記発振層の厚みｔを２ｎｍとし、前記発振層の直径ｄを３５０ｎｍとし、前記発振層の飽和磁束密度ＢＳをＶＳＭ測定から見積もられた値の１．８Ｔとし、磁場強度に関する公知の算定式に基づき行った。なお、図１９は、計算対象の概要を示す模式図である。
　その結果、距離ｒを３０５ｎｍとした位置で磁場強度が０．５ｍＴ（ｒｍｓ）の直流磁界が作用する計算結果が得られた。
　つまり、実施例における前記スピントルク発振器を前記固体素子型量子ビットから３０５ｎｍ程度の間隔で配することで、前記スピントルク発振器は、前記個体素子型量子ビットを動作させることができる。
　前記Ｒ－Ｈカーブ測定及び前記発振スペクトル測定の各測定は、室温環境下で行っている。そのため、前記固体素子型量子ビットの動作温度（低温環境）における前記スピントルク発振器の特性について、更に検討する。
　前記スピントルク発振器における前記発振層の形成材料である強磁性体ＦｅＢは、前記発振層の形成材料としてより一般的なＣｏＦｅＢと非常に近い磁気特性及び同じＢＣＣ結晶構造を持っている。ＣｏＦｅＢのキュリー温度は、７５０Ｋ～９００Ｋと非常に高い温度であり、また、その飽和磁化は、温度低下とともに徐々に上昇する（下記参考文献７参照）。従って、ＦｅＢの飽和磁化もＣｏＦｅＢと同様の温度依存性を示すものと考えられる。また、前記強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器における前記ＭＲ比も、温度低下とともに上昇する（下記参考文献８，９参照）。スピン偏極率は、前記ＭＲ比に比例することから、前記スピン偏極率も、前記ＭＲ比と同様の温度依存性を示すと考えられる。
　前記スピントルク発振器に注入される電流の大きさが一定であるとすると、低温環境下では、前記スピン偏極率の上昇とともに前記スピントルク発振器が大振幅で発振し、また、前記飽和磁化も上昇するので、これらの相乗効果により、前記スピントルク発振器は、より大きな交流磁界を発生させることが想定される。
　前記スピントルク発振器における前記発振周波数は、前記発振層が感じるトータルの実効磁界によって決まる。異方性磁界は、一般に低温で増加することから（下記参考文献７参照）、低温環境下においては、前記スピントルク発振器の発振周波数が上昇することが想定される。ただし、前記異方性磁界は、トータルの実効磁界の中の一つに過ぎないため、他の磁界（例えば外部印加磁界）を調整することにより補償可能である。
　前記スピントルク発振器の発振特性において最も顕著な温度依存性を示すのはスペクトル線幅であり、温度低下とともに減少する。これは、前記発振層が感じる熱擾乱磁界が減少するためであり、むしろ、低温環境下で前記スピントルク発振器を前記固体素子型量子ビットの操作に用いる観点からは、非常に好ましい特性といえる。
　以上から、実施例における前記スピントルク発振器は、必要に応じて前記外部印加磁界での調整を行うことで、低温環境下でも、前記固体素子型量子ビットの操作に用いることができる。
　参考文献７：K.-M. Lee et al., AIP Advances 7, 065107 (2017)
　参考文献８：S. Yuasa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 77, 031001 (2008)
　参考文献９：S. G. Wang et al., Phys. Rev. B, 78, 180411 (2008)
　なお、実施例における前記スピントルク発振器は、前記強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器として構成されるが、他のタイプの前記スピントルク発振器においても、同様の（低温）動作が可能と考えられる。
　即ち、前記スピントルク発振器は、そのタイプに応じて、周波数、出力、発振閾値電流などの各種発振特性に差異がみられるものの、下記参考文献１０～１３を通じて理解されるように、およそ、前記飽和磁化、前記異方性磁界、前記スピン偏極率等の各種磁気特性が、前述の温度依存性と整合した挙動を示すことから、実施例における前記スピントルク発振器と同様に考えることができる。
　参考文献１０：M. L. Schneider et al., Phys. Rev. B 80, 144412 (2009)
　参考文献１１：J. F. Sierra et al., Appl. Phys. Lett. 101, 062407 (2012)
　参考文献１２：P. Bortolotti et al., Appl. Phys. Lett. 100, 042408 (2012)
　参考文献１３：R. H. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 110, 147601 (2013)
　なお、本実施例では、個々の特性を明らかにするため、前記固体素子型量子ビットと前記スピントルク発振器とを別々に製造しているが、図１１（ａ）～（ｉ）に示す例のように、これらを一体に形成して本発明に係る前記量子ビットセルを製造することができる。
　　１，１’　量子ビットセル
　　１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ　スピンバルブ型素子
　　１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１６，３１　参照層
　　１１’　参照層形成材料層
　　１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１７，３２　非磁性層
　　１２’　非磁性層形成材料層
　　１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１８，２２，３３　発振層
　　１３’２２’　発振層形成材料層
　　１５　　磁気渦型素子
　　２０　　スピン軌道トルク励起型素子
　　２１　　非磁性金属層
　　２１’　非磁性金属層形成材料層
　　３０　　強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）型スピントルク発振器
　　３０’　形成材料層
　　３１ａ　ＰｔＭｎ層
　　３１ｂ　ＣｏＦｅ層
　　３１ｃ　Ｒｕ層
　　３１ｄ　ＣｏＦｅＢ層
　　３４　　シリコン基板
　　３５　　バッファー層
　　３６　　キャップ層
　　３７　　保護層
　　４１ａ，ｂ　レジスト層
　　４２　　ＳｉＯ２層
　　４３ａ　上部電極
　　４３ｂ　下部電極
　　５０　　半導体量子ビット素子
　　５１　　含半導体層
　　５２　　絶縁酸化膜
　　５３　　ゲート電極
　１０１　　第１コンタクト層
　１０２　　第２コンタクト層
　１０２’　第２コンタクト層形成材料層
　１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８　金属電極
　１０５’，１０６’，１０７’，１０８’　コンタクトホール
　１１０　　下部電極
　１１０’　下部電極形成材料層
　１１１　　上部電極
　１１１’　上部電極形成材料層
　　ＦＲ　　発振層形成用レジスト

 

Claims (8)

  1. 　伝搬距離が１μｍ以下のマイクロ波を放出可能とされ、最大径が１μｍ以下とされるスピントルク発振器と、
    　前記伝搬距離以下の間隔で前記スピントルク発振器の近傍に配され、前記マイクロ波により量子２準位系が制御される固体素子型量子ビットと、
    　を有することを特徴とする量子ビットセル。
  2. 　スピントルク発振器が、非磁性金属層と発振層との２層積層構造を有するスピン軌道トルク励起型素子で構成される請求項１に記載の量子ビットセル。
  3. 　スピントルク発振器が、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに非励起時の前記発振層における磁化が一の方向を向くように構成されるスピンバルブ型素子で構成される請求項１に記載の量子ビットセル。
  4. 　スピントルク発振器が、参照層及び非磁性層の積層体と前記積層体上に積層される発振層とで構成される３層積層構造を有するとともに非励起時の前記発振層における磁化が渦状分布とされる磁気渦型素子で構成される請求項１に記載の量子ビットセル。
  5. 　固体素子型量子ビットが、半導体量子ビット素子で構成される請求項１から４のいずれかに記載の量子ビットセル。
  6. 　半導体量子ビット素子が、ソース部とドレイン部との間に半導体材料で構成されるチャネル領域が形成される含半導体層上に絶縁酸化膜を介してゲート電極が配されるトランジスタ構造を有する請求項５に記載の量子ビットセル。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の量子ビットセルが複数配されることを特徴とする量子ビット集積回路。
  8. 　隣接する２つの量子ビットセルにおいて、一の前記量子ビットセルにおけるスピントルク発振器と他の前記量子ビットセルにおける固体素子型量子ビットとが、前記スピントルク発振器から放出されるマイクロ波の伝搬距離を超える距離だけ離間して配される請求項７に記載の量子ビット集積回路。
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