【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.08】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23WS0064
利用課題名 / Title
ボロンドープ超伝導ダイヤモンドを用いた超伝導FETの開発
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学 / Waseda Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
超伝導材料・物質・素子/ Superconducting materials,エレクトロデバイス/ Electronic device,電子顕微鏡/ Electronic microscope,ALD,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,超伝導/ Superconductivity
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
川原田 洋
所属名 / Affiliation
早稲田大学 基幹理工学部 電子物理システム学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
若林千幸,橋本裕太郎
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
野崎 義人
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-004：原子層堆積装置
WS-011：電界放出型 走査電子顕微鏡
WS-022：高耐圧デバイス測定装置＋ 高耐圧プローバ
WS-006：プラズマアッシャー
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、超伝導ボロンドープダイヤモンド薄膜上にゲート絶縁膜としてAl2O3を蒸着し、その上にゲート電極を蒸着することで、超伝導ダイヤモンド薄膜に対する電界効果の影響について研究を行った。その結果、ゲート電圧の印加によって超伝導臨界電流の抑制をすることに成功し、超伝導FETとしての動作を実証した。
実験 / Experimental
デバイスの作製プロセスは次のとおりである。まず、超伝導ボロンドープダイヤモンドを川原田研究室所有のマイクロ波化学気相堆積装置を用いて20 nm単結晶(111)ダイヤモンド基板上に成膜した。その後、素子分離のためのパターン形成、マスク蒸着、エッチングを物質・材料研究機構所有装置によって行った。また、表面を酸素終端化し、基板表面を絶縁化するために、プラズマアッシャー(WS-006)で2分間酸素プラズマ処理を行った。その後、絶縁膜として原子層堆積装置(WS-004)によってAl2O3を30 nm堆積し、最後に物質・材料研究機構所有装置でゲート電極としてAlを200 nmパターン形成後に蒸着することでデバイス完成である。デバイス断面図を図1に示す。その後、クライオスタットを用いたデバイスの電流ー電圧特性の測定を行った。また、表面の観察を走査型顕微鏡(WS-011)を用いて、常温での電流-電圧特性の測定を高耐圧デバイス測定装置+高耐圧プローバ(WS-022)を用いて測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
1.4 Kで電流-電圧特性の測定を行った結果を図2に示す。ゲート電圧の印加による超伝導臨界電流Icの抑制を確認した。図3には、ゲート電圧の印加とIc抑制の関係を各温度(1.4 , 2.0, 2.5, 3.0 K)で測定した結果を示しており、-20 V付近で抑制が始まり、-22 Vで完全に抑制され超伝導状態から常伝導状態に遷移している様子が確認された。また、負のゲートを印加した時にのみIcの抑制が観測され、正のゲート電圧を印加した時にはほとんど変化していない。これは、従来の金属超伝導体に対するゲート電圧の印加によるIcの抑制がゲート電圧の極性に対して対称的であったこととは異なる。このことから、本研究で確認された超伝導ボロンドープ薄膜中の超伝導臨界電流の抑制はゲート電極から高いエネルギーを持った電子が流入することで超伝導体が加熱されることが要因で起きる現象であると考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 デバイス断面図
図2 電流電圧特性
図3 臨界電流Icのゲート電圧依存性
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
物質・材料研究機構からも支援を受けて実験を実施しました(利用課題ID: JPMXP1223NM0010)。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件