【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23NM0010
利用課題名 / Title
単結晶ボロンドープダイヤモンドによる超伝導共振器の実現
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
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）-
【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
蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ワイヤーボンディング/ Wire Bonding,量子コンピューター/ Quantum computer,超伝導/ Superconductivity,高周波デバイス/ High frequency device,光導波路/ Optical waveguide
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)
橋本 裕太郎
所属名 / Affiliation
早稲田大学基幹理工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
若林千幸
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
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
NM-604：マスクレス露光装置 [DL-1000/NC2P]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-616：シリコンDRIE装置 [ASE-SRE]
NM-601：電子ビーム描画装置 [ELS-F125]
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
主要材料であるNbやAl、TiNを用いた超伝導共振器では、その超伝導体表面に形成される酸化物による2準位系(TLS)が大きなデコヒーレンス源となり性能(内部Q値の)劣化に繋がっている。単結晶ボロンドープダイヤモンドはTc10K以下で超伝導特性を示し、さらに耐酸化性や耐摩耗性に優れるため、経年劣化の少ない超伝導デバイスへの応用が期待されている。そこで、本研究では単結晶ボロンドープダイヤによる超伝導共振器を作製し、TLSによる損失のない、高い内部Q値を持った超伝導共振器の実現を目指す。NIMSにおいては超伝導共振器作製のため、リソグラフィと金属膜蒸着による金属マスクの作製、ICP-RIEによるボロンドープダイヤモンドのドライエッチングを行った。
実験 / Experimental
本研究では、研究室においてボロンドープダイヤ層を基板上に成膜し、NIMS所有の電子ビーム描画装置(NM-601)やマスクレス露光装置(NM-604)によるリソグラフィと電子銃型蒸着装置(NM-609)による金属膜蒸着を用いてTi/Auマスクによる共振器とfeed lineパターンを形成した。その後シリコンDRIE装置(NM-601)の反応性イオンエッチング(RIE)法でのエッチングによってデバイス形成した。また、研究の初期段階においては、基板上に上記のTi/Auマスクによるパターン形成を行い、その後選択成長法を用いて研究室においてボロンドープダイヤ層を成膜しデバイス形成を行った。また作製したデバイスのR-T特性をPPMS(Physical Property Measurement System)を用いて測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
本研究では、共振器の配置スペースを確保するため、従来使用してきた2mm角のダイヤモンド基板より大型の4mm角や2.5mm×5mmのダイヤモンド基板を用いた。そのため、基板サイズ変更による成膜やリソグラフィ、エッチング条件や膜質の変化がおこった。研究の初期段階においては、マスク作製が容易である選択成長法を用いて、デバイス形成を行ったがR-T特性を測定したところfeed lineが超伝導転移しきらず、残留抵抗が現れた(Fig1 赤)。そこでデバイス作製方法を、ボロンドープ膜成膜後にエッチングによってデバイスを形成する選択エッチングプロセスに切り替えた。するとfeel lineの残留抵抗のないデバイスを作製することに成功した(Fig2 赤)。選択成長プロセスで作製した単結晶超伝導ボロンドープダイヤモンドの細線においは、線幅の微細化と共にTCが低下することは知られている[1]。しかし、その低下は線幅が数um以下で起こるものであり、本研究で形成した線幅は30um以上のものであった。これは、本研究で形成したfeed lineの長さが5mm以上と文献[1]で形成された細線より10倍以上長いことに起因すると考えられる。今後は選択エッチングプロセスを用いたデバイス作製により単結晶ボロンドープダイヤモンドによる超伝導共振器を実現し、Q値の測定を行う予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.1
Fig.2
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] T. Kageura, HK et al., Diamond and Related Materials 90 (2018) 181-187
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