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2015 Fiscal Year Annual Research Report

ダイヤモンド超高機能化のための極低濃度不純物制御に関する研究

Research Project

Project/Area Number 15H03980
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

寺地 徳之  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50332747)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords電子・電気材料 / 結晶成長 / ダイヤモンド / 不純物制御
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、研究項目を「超高純度結晶成長」と「ppbレベルでのドナー/アクセプタドーピング」の2つに分けて実施している。
前者については、H27年度は、ダイヤモンド中のカラーセンタとしては代表的な、NVセンタ(窒素空孔複合欠陥)とSiVセンタ(シリコン空孔複合欠陥)の評価から始めた。これらカラーセンタの数密度を見積もり、結晶の純度を評価した。成長直後のダイヤモンド薄膜においては、これらの発光センターは全く観測されなかった。これは、他の研究機関で得られているダイヤモンドと比べて、本研究で得られる結晶の純度が格段に高いことを意味している。更に進めて、この高純度ダイヤモンドへのイオン注入と熱処理を行ったところ、注入イオン以外の不純物を起源とするカラーセンタも同時に観測された。この結果は、カラーセンタが見えない場合であっても、その不純物が結晶中に存在する可能性がある事、またイオン注入や熱処理が不純物をカラーセンタに変えるための可視化プロセスとして有効である事を意味している。本年度の研究を通して、申請者が成長した高純度ダイヤモンド中に存在するSiVセンタの数密度は、0.1-3pptである事が分かった。
後者については、H27年度は、CVD中の微量ドーピングによる単一NVセンタの形成を行った。ダイヤモンドの原料ガスであるメタンのガス流量に対して、窒素を6ppm混入させてダイヤモンド成長を行った。その結果、結晶中には5-10ppbの窒素がダイヤモンド結晶の置換位置に取り込まれることが分かった。また置換位置窒素の数とNVセンタの数の割合についても見積もることができた。本研究の場合は、1個のNVセンタに対して、200個の置換位置窒素が存在することが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の中心課題である「結晶の高純度化」に留まらず、「結晶の高品質化」を図りながら成長条件の最適化を行った。その結果、「酸素を高濃度に添加する」という、新しい成長条件を見出した。転位周辺には空孔が形成されやすいため、バックグラウンドとなるカラーセンタの低減には転位の低減が不可欠である。本研究では、酸素添加成長条件を適用する事で、転位密度を大幅に低減させることに成功した。その結果、共焦点蛍光顕微鏡を用いて、比較的容易に本質的(結晶欠陥に依存しない)なカラーセンタの検出、即ち不純物濃度を見積もることができた。
カラーセンタであるNVセンタの微量濃度制御については、窒素ガスを低濃度に供給する必要がある。本研究では、原料ガスであるメタンに含まれている窒素不純物をカラーセンタ形成に積極的に用いた。具体的には、メタン中の窒素不純物量を事前に評価しておき、ガス純化器を含むガス供給系を構築する事で、メタンガスに対してppbからppmに渡る極微量域で窒素濃度制御を行った。結果として、(a)ガス中の窒素、(b)ダイヤモンド中の窒素、(c)ダイヤモンド中のNVセンタ(カラーセンタ)のそれぞれに対して、相対比を見積もることが出来た。この相対比は、次に実施する極微量ドーピングにおいて最も基礎的なパラメータである。これを初年度で得られたのは、意義が大きい。
これらの成果については、2件の査読付き国際論文誌(オリジナル論文とレビュー論文)として出版された。そのうちのレビュー論文については、Editorの推薦によりFeature Articleとして選ばれ、論文中の図が冊子のカバーに用いられた。

Strategy for Future Research Activity

本年度に実施した成長条件の最適化により、カラーセンタが結晶中に非意図的に形成されない、ホワイトキャンバスとしてのダイヤモンド結晶の成長に目途がついた。次に実施すべきは、極微量ドーピングによるカラーセンタの数密度制御である。加えて、電荷安定性に関する評価を実施し、その制御法を確立する。この電荷安定性は、カラーセンタを操作可能な電子スピンとして用いる場合に、極めて重要となる。例えばNVセンタの場合は、負に帯電することで初めて、電子スピン制御が可能となる。窒素濃度と窒素/NVセンタの数密度比についても、本年度の研究で明らかとなった。したがって次年度以降は、窒素やリンといったドナーを、カラーセンタを形成する不純物と一緒に極微量ドーピングすることで、電荷安定性に優れたカラーセンタの形成を目指す。

  • Research Products

    (32 results)

All 2016 2015

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 7 results)

  • [Journal Article] Fluorescence Polarization Switching from a Single Silicon Vacancy Colour Centre in Diamond2015

    • Author(s)
      Yan Liu, Gengxu Chen, Youying Rong, Liam Paul McGuinness, Fedor Jelezko, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Takahiro Shinada, E Wu, and Heping Zeng
    • Journal Title

      Sci. Rep.

      Volume: 5 Pages: 12244 1-9

    • DOI

      10.1038/srep12244

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector2015

    • Author(s)
      Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, and Takeshi Ohshima
    • Journal Title

      Phys. Status Solidi A

      Volume: 212 Pages: 2641-2644

    • DOI

      10.1002/pssa.201532219

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-quality and high-purity homoepitaxial diamond (100) film growth under high oxygen concentration condition2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Journal Title

      J. Appl. Phys.

      Volume: 118 Pages: 115304 1-8

    • DOI

      10.1063/1.4929962

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Imaging of diamond defect sites by electron-beam-induced current2015

    • Author(s)
      S. Kono, T. Teraji, H. Kodama, and A. Sawabe
    • Journal Title

      Diamond Relat. Mater.

      Volume: 59 Pages: 54-61

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2015.09.006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Homoepitaxial diamond film growth: High purity, high crystalline quality,isotopic enrichment, and single color center formation2015

    • Author(s)
      Tokuyuki Teraji, Takashi Yamamoto, Kenji Watanabe, Yasuo Koide, Junichi Isoya, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Lachlan J. Rogers, Fedor Jelezko, Philipp Neumann, Jörg Wrachtrup, and Satoshi Koizumi
    • Journal Title

      Phys. Status Solidi A

      Volume: 212 Pages: 2365-2384

    • DOI

      10.1002/pssa.201532449

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Direct determination of the barrier height of Ti-based ohmic contact on p-type diamond (001)2015

    • Author(s)
      S. Kono, T. Teraji, H. Kodama, K. Ichikawa, S. Ohnishi, A. Sawabe
    • Journal Title

      Diamond Relat. Mater.

      Volume: 60 Pages: 117-122

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2015.10.028

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of the silicon vacancy color center for quantum key distribution2015

    • Author(s)
      Yan Liu, Petr Siyushev, Youying Rong, Botao Wu, Liam Paul McGuinness, Fedor Jelezko, Syuto Tamura, Takashi Tanii, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Takahiro Shinada, Heping Zeng, and E Wu
    • Journal Title

      Opt. Exp.

      Volume: 23 Pages: 32961-32967

    • DOI

      10.1364/OE.23.032961

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の高品質化と高純度化を目指して2015

    • Author(s)
      寺地徳之
    • Journal Title

      NEW DIAMOND

      Volume: 116 Pages: 18-21

    • Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 窒素分子イオン注入による室温ダイヤモンドスピン量子レジスタの作製2015

    • Author(s)
      ) 山本 卓,寺地 徳之,小野田 忍,大島 武,小泉 聡,Fedor Jelezko,磯谷 順一
    • Journal Title

      NEW DIAMOND

      Volume: 116 Pages: 22-25

    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High Purity and High Quality Homoepitaxial Diamond Growth for Power Device Application2016

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      2016 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      Phoenix Convention Center, Phoenix, Arizona
    • Year and Date
      2016-03-31
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超高純度ダイヤモンドの成長とカラーセンターの極微量濃度制御2016

    • Author(s)
      寺地徳之
    • Organizer
      物理学会第71回年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学,仙台市
    • Year and Date
      2016-03-21
    • Invited
  • [Presentation] 酸素添加条件で成長したホモエピタキシャルダイヤモンド(100)薄膜中の欠陥評価2016

    • Author(s)
      寺地徳之、渡邊賢司
    • Organizer
      第63回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,大岡山
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] Smart Nano-Scale Interlayer Formation for SBD Electrical Properties Stable above 600K2015

    • Author(s)
      A. Fiori, T. Teraji, J.C. Pinero, D. Araujo Y. Koide
    • Organizer
      2015 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      The Westin Copley Place, Boston, Massachusetts
    • Year and Date
      2015-11-30
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電子線誘起電流(EBIC)法によるダイヤモンドの欠陥位置の視覚化2015

    • Author(s)
      河野省三、寺地徳之、児玉英之、澤邊厚仁
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-18
  • [Presentation] 表面終端と空乏層厚の変化による浅いNV センターの電荷状態制御2015

    • Author(s)
      加藤かなみ,山野楓,蔭浦泰資,柴田将暢,稲葉優文,小池悟大,谷井孝至,磯谷順一,小野田忍,寺地徳之,川原田洋
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-17
  • [Presentation] 09 keV からサブGeV のイオン注入を用いて形成したNV センターの特性評価2015

    • Author(s)
      小野田忍,春山盛善,寺地徳之,磯谷順一,C. Muller, L. McGuinness, P. Balasubramanian, B. Naydenov, F. Jelezko,小池悟大,東又 格,稲葉優文,大島武,加田渉,花泉修,谷井孝至,川原田洋
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-17
  • [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNV センタ配列の作製2015

    • Author(s)
      小池悟大,東又格,寺地徳之,小野田忍,稲葉優文,P. Balasubramanian, B. Naydenov, F. Jelezko,大島武,品田高宏,川原田洋,磯谷順一,谷井孝至
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-17
  • [Presentation] 表面水素終端化による浅いNV センターへの影響2015

    • Author(s)
      山野楓,稲葉優文,蔭浦泰資,加藤かなみ,小池悟大,谷井孝至,小野田忍,寺地徳之,磯谷順一,川原田洋
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-17
  • [Presentation] 水素終端ダイヤモンド(001)表面の金オーミック電極の障壁高さ2015

    • Author(s)
      河野省三、寺地徳之、竹内大輔児玉英之、澤邊厚仁
    • Organizer
      第29回ダイヤモンドシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京理科大学, 金町
    • Year and Date
      2015-11-17
  • [Presentation] NV Centers in Diamond Used for Detection of Single Ion Track2015

    • Author(s)
      Moriyoshi Haruyama, Shinobu Onoda, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Takeshi Ohshima, Osamu Hanaizumi
    • Organizer
      The 11th Intrernational Workshop on Radiation Effects on Semicoductor Devices for Space Applications (11th RASEDA)
    • Place of Presentation
      City Performing Arts Center, Kiryu, Gunnma, Japan
    • Year and Date
      2015-11-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High quality homoepitaxial diamond growth by chemical vapor deposition for high-performance electronic devices2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      IUMRS-ICAM2015
    • Place of Presentation
      ICC JEJU, KOREA
    • Year and Date
      2015-10-27
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ultrapure Diamond Growth by Chemical Vapor Deposition2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      SSDM2016
    • Place of Presentation
      Sapporo Convention Center, Sapporo
    • Year and Date
      2015-09-28
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nano-scale interlayer formation for thermally stable SBD electrical properties2015

    • Author(s)
      Alexandre FIORI, Tokuyuki TERAJI, Jose PINERO, Daniel ARAUJO, Yasuo KOIDE
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場, 愛知県
    • Year and Date
      2015-09-15
    • Invited
  • [Presentation] 重イオン照射を用いたNVセンター形成条件の最適化2015

    • Author(s)
      春山盛善、小野田忍、寺地徳之、磯谷順一、加田渉、大島武、花泉 修
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場, 愛知県
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンタ配列の作製2015

    • Author(s)
      東又 格、小池悟大,寺地徳之,小野田忍,稲葉優文,Priyadharshini Balasubramanian,Boris Naydenov,Fedor Jelezko,大島武,品田高宏,川原田洋,磯谷順一,谷井孝至
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場, 愛知県
    • Year and Date
      2015-09-05
  • [Presentation] Diamond film growth for formation of single photon source2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
    • Place of Presentation
      Kagawa International Conference Hall, Takamatsu, Japan
    • Year and Date
      2015-08-05
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diamond surface fluorescence for device sensing2015

    • Author(s)
      Masafumi Inaba, Hayate Yamano, Kanami Kato, Taisuke Kageura, M. Shibata, Shinobu Onoda, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya,Takashi Tanii, Hiroshi Kawarada
    • Organizer
      Diamond surface fluorescence for device sensing
    • Place of Presentation
      Kagawa International Conference Hall, Takamatsu, Japan
    • Year and Date
      2015-08-05
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Oxycarbide Formation for Ideal and Thermally Stable Diamond Schottky-barrier Diodes/Oxycarbide Formation for Ideal and Thermally Stable Diamond Schottky-barrier Diodes2015

    • Author(s)
      A. Fiori, T. Teraji, Y. Koide
    • Organizer
      3rd - French-Japanese workshop on diamond power devices
    • Place of Presentation
      C-Suite hotel, Nimes, France
    • Year and Date
      2015-07-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reproducible Growth of Homoepitaxial Diamond Thicker (>10um) Film with Low Defect Density2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      3rd - French-Japanese workshop on diamond power devices
    • Place of Presentation
      C-Suite hotel, Nimes, France
    • Year and Date
      2015-07-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Interlayer effects on the electrical property of WC/diamond Schottky diodes2015

    • Author(s)
      A. Fiori, T. Teraji, Y. Koide
    • Organizer
      9th International Conference on New Diamond & Nano Carbon -NDNC2015
    • Place of Presentation
      Shizuoka GRANSHIP, Shizuoka, Japan
    • Year and Date
      2015-05-27
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Imaging of Diamond Defect Sites by Electron Beam Induced Current2015

    • Author(s)
      S. Kono, T. Teraji, H. Kodama, A. Sawabe
    • Organizer
      9th International Conference on New Diamond & Nano Carbon -NDNC2015
    • Place of Presentation
      Shizuoka GRANSHIP, Shizuoka, Japan
    • Year and Date
      2015-05-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Homoepitaxial diamond film growth for single color centers2015

    • Author(s)
      T. Teraji
    • Organizer
      9th International Conference on New Diamond & Nano Carbon -NDNC2015
    • Place of Presentation
      Shizuoka GRANSHIP, Shizuoka, Japan
    • Year and Date
      2015-05-25
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-01-06  

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