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Studies on superconducting field-effect transistors with multi-gate structures

Research Project

Project/Area Number 21K04145
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

TACHIKI Minoru  国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (50318838)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大井 修一  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (10354292)
川原田 洋  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90161380)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords超伝導 / 電界効果トランジスタ / ダイヤモンド / 銅酸化物 / 磁気光学顕微鏡 / 磁束量子 / 磁気顕微鏡
Outline of Research at the Start

本研究は効率的な電力利用において、低損失デバイスとなることが期待される超伝導電界効果トランジスタの現象解明・動作機構実現のための基礎研究を行うものである。薄膜技術、低温計測技術、数値シミュレーション技術を駆使することによって従来に比べて大きな電流変調機能を持つ超伝導電界効果トランジスタの実現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Diamond field-effect transistors(FETs) using boron-doped superconducting diamond as the source and drain electrode and a two-dimensional hole gas (2DHG) as a channel was fabricated, and the modulation effect of the drain current by the gate voltage was demonstrated at low temperatures. We have also succeeded in direct gate modulation of the superconducting current of a superconducting diamond channel FET. Superconducting Bi2212 ultrathin film was made by cleaving method, dilute hydrochloric acid treatment method, and PLD deposition method. In order to observe the vortex behavior, which is necessary for understanding the operation of superconducting transistors, we developed a magneto-optical thin-film sensor and succeeded in developing a magneto-optical microscope system that can observe the motion of a single vortex in real time.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超伝導ソース-ドレイン電極および2次元半導体チャネルをすべてダイヤモンドで構成された、近接効果型ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の変調動作を極低温で確認できたことや、超伝導体チャネルの超伝導電流を直接ゲートで変調する直接変調型ダイヤモンド超伝導FETの動作のデモンストレーションができたことによって、低炭素社会へ向けて、低損失なエネルギー活用に資する将来の超伝導FET開発に対する意義は大きい。また、単一磁束量子レベル分解能の動的観察が可能な磁気光学顕微鏡システムを開発したことで、超伝導デバイスや超伝導線材などの評価と改善に役立たせることができると考えられる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (31 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Microstructural Study of YBCO Thin Films With Stripe-Patterned Substrates for Ultra-Fine Multi-Filaments2024

    • Author(s)
      Matsumoto Akiyoshi、Tachiki Minoru、Ooi Shuuichi、Teranishi Ryo、Inoue Masayoshi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 34 Issue: 3 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/tasc.2024.3366159

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  • [Journal Article] Consideration of Magnetic Flux Distribution in Multi-Filamented YBa2Cu3O7-δ Films by Controlling Crystal Array Using Surface-Modified Substrate2024

    • Author(s)
      Fujimoto Hiroki、Matsumoto Akiyoshi、Ooi Shuuichi、Tachiki Minoru、Inoue Masayoshi、Teranishi Ryo
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 34 Issue: 3 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/tasc.2024.3362729

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of YBCO Patterned Multi-Filamentary Film Using Photolithography Method2023

    • Author(s)
      Matsumoto Akiyoshi、Tachiki Minoru、Ooi Shuuichi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/tasc.2023.3244515

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    • Author(s)
      Teramachi Nanami、Nakaaki Iku、Hashimoto Aoi、Ooi Shuuichi、Tachiki Minoru、Arisawa Shunichi、Seto Yusuke、Sakurai Takahiro、Ohta Hitoshi、Valenta Jaroslav、Tsujii Naohito、Mori Takao、Uchino Takashi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Issue: 15 Pages: 155146-155146

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.155146

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      Morishita Aoi、Amano Shotaro、Tsuyuzaki Ikuto、Kageura Taisuke、Takahashi Yasuhiro、Tachiki Minoru、Ooi Shuuichi、Takano Miwako、Arisawa Shunichi、Takano Yoshihiko、Kawarada Hiroshi
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: - Pages: 379-388

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2021.04.097

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      Ooi S.、Tachiki M.、Konomi T.、Kubo T.、Kikuchi A.、Arisawa S.、Ito H.、Umemori K.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Issue: 6 Pages: 064504-064504

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.064504

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      大井 修一, 立木 実, 茂筑 高士, 井藤隼人, 菊池 章弘, 有沢 俊一, 久保毅幸, 梅森健成.
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      C. Wakabayashi, Y. Hashimoto, M. Takeuchi, S. Ooi, M. Tachiki, Y. Takano, H.Kawarada
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      寺町七海, 中明育, 橋本碧維, 大井 修一, 立木 実, 有沢 俊一, 櫻井敬博, 太田仁, 近藤隼,幾原雄一, バレンタ ヤロスラフ, 辻井 直人, 森 孝雄, 内野隆司
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      第29回 渦糸物理ワークショップ
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  • [Presentation] 超伝導/常伝導フラクタルナノ複合化合物の自発渦糸形成2023

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      中明育, 櫻井敬博, 太田仁, 大井 修一, 立木 実, 有沢 俊一, 幾原雄一, 近藤隼, 大石一城, 坂口佳史, 幸田章宏, 内野隆司
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      第29回 渦糸物理ワークショップ
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  • [Presentation] GLパラメータが臨界値に近い超伝導体の磁束量子ダイナミクス2023

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      立木 実, 大井 修一, 茂筑 高士, 井藤 隼人, 菊池 章弘, 有沢 俊一, 久保 毅幸, 梅森 健成
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      第29回 渦糸物理ワークショップ
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  • [Presentation] フォトリソグラフィー法を用いたREBCOマルチフィラメント薄膜の開発2023

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      松本 明善, 立木 実, 大井 修一, 寺西亮, 波多聰, 郭子萌, 高紅叶, 井上昌睦
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      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] REBa2Cu3O7-δ超伝導薄膜の硬さ試験における最大荷重が硬さ評価に及ぼす影響2023

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      浦中智貴, 寺西亮, 立木 実, 松本 明善
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      2023年度 日本金属学会九州支部 日本鉄鋼協会九州支部 軽金属学会九州支部 合同学術講演会
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  • [Presentation] フラクタル構造を有する超伝導ナノ複合体の巨視的位相コヒーレンス形成と磁束構造2023

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      中明 育, 櫻井 敬博, 太田 仁, 瀬戸 雄介, 大井 修一, 立木 実, 有沢 俊一, 内野 隆司
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      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      竹内雅治, 若林千幸, 太田康介, 成田憲人, 高橋康裕, 蔭浦泰資, 高野義彦, 立木 実, 大井修一, 有沢俊一, 川原田 洋
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  • [Presentation] 磁気光学イメージングによる高純度ニオブ材料における単一磁束量子および磁束量子クラスター形成の動的観測2023

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      立木 実, 大井 修一, 茂筑 高士, 井藤 隼人, 菊池 章弘, 有沢 俊一, 久保 毅幸, 梅森 健成
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  • [Presentation] 磁気光学イメージングによる高純度ニオブにおける少数単一磁束量子のクラスター化観察2023

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      大井 修一, 立木 実, 茂筑 高士, 井藤 隼人, 菊池 章弘, 有沢 俊一, 久保 毅幸, 梅森 健成
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      竹内 雅治, 若林 千幸, 高橋 泰裕, 太田 康介, 蔭浦 泰資, 高野 義彦, 立木 実, 大井 修一, 有沢 俊一, 川原田 洋
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  • [Presentation] 近接効果型の超伝導ダイヤモンドFET実現に向けた極低温(1.6 K)動作検証2022

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      竹内 雅治, 若林 千幸, 高橋 泰裕, 太田 康介, 蔭浦 泰資, 高野 義彦, 立木 実, 大井 修一, 有沢 俊一, 川原田 洋
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  • [Presentation] Low Temperature Operation of 2DHG Diamond FETs with Superconducting Diamond Sources and Drains aiming at JoFET or SCFET operation2022

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      C. Wakabayashi, Y. Takahashi, T. Kageura, Y. Takano, M. Tachiki, S. Ooi, S. Arisawa, H. Kawarada
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      大井 修一, 立木 実, 茂筑 高士, 井藤 隼人, 菊池 章弘, 有沢 俊一, 久保 毅幸, 梅森 健成
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  • [Presentation] 超伝導ソースドレインを有する2DHGダイヤモンドMOSFETの低温動作2022

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      若林 千幸、高橋 泰裕 、太田 康介 、新倉 直弥、荒井 雅一 、蔭浦 泰資、高野 義彦、立木 実、大井 修一、有沢 俊一、川原田 洋
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  • [Presentation] 希塩酸処理によるBi2212超薄膜化2022

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  • [Presentation] Observation of intermediate mixed state in high-purity cavity grade Nb by MO imaging2021

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      大井 修一、立木 実、菊池 章弘、有沢 俊一、許斐太郎、久保毅幸、井藤隼人、加古永治、阪井寛志、梅森健成
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      若林 千幸、高橋 泰裕 、蔭浦 泰資、高野 義彦、立木 実、大井 修一、有沢 俊一、川原田 洋
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      大井 修一、立木 実、菊池 章弘、有沢 俊一、許斐太郎、井藤隼人、久保毅幸、加古永治、阪井寛志、梅森健成
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      日本物理学会2021年秋季大会
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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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