ダイヤモンド超伝導体におけるFET素子の開発

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19340103
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 高野 義彦 National Institute for Materials Science, 超伝導材料センター, グループリーダー (10354341)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 尚秀 独立行政法人物質・材料研究機構, 超伝導材料センター, 主任研究員 (70399385) ; 津田 俊輔 独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキ研究拠点, 若手独立研究者 (80422442)
• Keywords: ダイヤモンド / 超伝導 / ホウ素 / 金属 / 絶縁体 / 半導体 / ジョセフソン / 薄膜

Research Abstract

本研究は、ダイヤモンド超伝導体の電子状態や超伝導発現機構の理解を深め、半導体におこる超伝導という新規な特徴を生かした新しい基礎デバイスの開発を試みるものである。バンドギャップおよびインギャップの電子状態を詳しく理解するために、X線吸収発光スペクトルや光電子分光、低温STS測定、超強磁場NMRを行った。その結果、ドープしたホウ素に複数のサイトがあることが理解された。バンド計算等から、ホウ素が単独に炭素サイトを置換した時のみ、キャリアがドープされ、ペアーやクラスターなどを形成した場合、キャリアに貢献しないことが明らかになり、より高いTcを達成するためには、単独のホウ素を増やす必要があることが分かった。ダイヤモンドは、ホウ素濃度を制御することによって、絶縁体から半導体、金属、超伝導と様々に物性を制御することが可能である。この特徴を生かして、ダイヤモンドのみで積層型デバイスを開発するために、良質な超薄膜成長を試みた。これまで、超薄膜ではバルク並みのTcが得られなかったが、成膜条件を改良し40nmの薄膜でもバルク並に高いTcを出現させることに成功した。この技術を応用し、二枚の超伝導ダイヤモンド超薄膜の間に、金属絶縁体転移(B=3e20cm-3)に僅かに達しない絶縁体ダイヤモンド層を積層させることに成功し、ダイヤモンド超伝導体で初の積層型ジョセフソン接合の作製に成功した。一方、鉄系超伝導体は、半導体にキャリアドープし超伝導が発現した点で、ダイヤモンドの超伝導と大変類似する。我々は、二元素系でありながらTc=約13Kを示す超伝導体FeSeに着目し、Tcが圧力下で27Kへ倍増することを見出した。

Research Products

• [Journal Article] Temperature-Dependent Localized Excitations of Doped Carriers in Superconducting Diamond (2008)
  • Author(s): Kyoko Ishizaka, Ritsuko Eguchi, Shunsuke Tsuda, A. Chainani, Takayoshi Yokoya, Takayuki Kiss, Takahiro Shimojima, Tadashi Togashi, Shuntaro Watanabe, C.-T. Chen, Yoshihiko Takano, Masanori Nagao, Isao Sakaguchi, Tomohiro Takenouchi, Hiroshi Kawarada, Shin Shik
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW LETTERS 100 Pages: 166402-1-166402-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ダイヤモンドエレクトロニクスの最前線 (2008)
  • Author(s): 高野義彦, 他
  • Journal Title: シーエムシー出版 Pages: 136-149
• [Journal Article] Holes in the Valence Band of Superconducting Boron-Doped Diamond Film Studied by Soft X-ray Absorption and Emission Spectroscopy (2008)
  • Author(s): Jin Nakamura, Nobuyoshi Yamada, Kazuhiko Kuroki, Tamio Oguchi, Kozo Okada, Yoshihiko Takano, Masanori Nagao, Isao Sakaguchi, Tomohiro Takenouchi, Kawarada Hiroshi, Rupert C. C. PERERA5, David L. EDERER
  • Journal Title: JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN 77 Pages: 054711-1-054711-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study of the optical gap in novel superconductors by coherent THz radiation (2008)
  • Author(s): P Calvani, S Lupi, M. Ortolani, L. Baldassarre, C. Mirri, R. Sopracase, U. Schade, Yoshihiko Takano, Tsuyoshi Tamegai
  • Journal Title: INFRARED PHYSICS & TECHNOLOGY 51 Pages: 429-432
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of boron-doped diamonds using 11B high-resolution NMR at high magnetic fields (2008)
  • Author(s): MiwaMurakami Tadashi Shimizu, Masataka Tansho, Yoshihiko Takano, Satoshi Ishii, Evgeni A. Ekimov, Vladimir Sidorov, Hitoshi Sumiya, Hiroshi Kawarada, Kiyonori Takegoshi
  • Journal Title: DIAMOND AND RELATED MATERIALS 17 Pages: 1835-1839
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 11B nuclear magnetic resonance in boron-doped diamond (2008)
  • Author(s): Miwa Murakami, Tadashi Shimizu, Masataka Tansho, Yoshihiko Takano
  • Journal Title: Sci. Technol. Adv. Mater 9 Pages: 044103-044109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-temperature STM/STS studies on boron-doped (111) diamond films (2008)
  • Author(s): Terukazu Nishizaki, Yoshihiko Takano, Masanori Nagao, Tomohiro Takenouchi, Hiroshi Kawarada, Norio Kobayashi
  • Journal Title: Journal of Physics and Chemistry of Solids 69 Pages: 3027-3030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity at 27K in tetragonal FeSe under high pressure (2008)
  • Author(s): Yoshikazu Mizuguchi, Fumiaki Tomioka, Shunsuke Tsuda, Takahide Yamaguchi, Yoshihiko Takano
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS 93 Pages: 152505-1-152505-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evidence for Unconventional Superconductivity in Arsenic-Free Iron-Based Superconductor FeSe : A 77Se-NMR Study (2008)
  • Author(s): Hisashi Kotegawa, Satoru Masaki, Yoshiki Awai, Hidehki Tou, Yoshikazu Mizuguchi, Yoshihiko Takano
  • Journal Title: JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN 77 Pages: 113703-1-113703-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity in S-substituted FeTe (2008)
  • Author(s): Yoshikazu Mizuguchi, Fumiaki Tomioka, Shunsuke Tsuda, Takahide Yamaguchi, Yoshihiko Takano
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS 94 Pages: 012503-1-012503-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高濃度ボロンドープダイヤモンド超伝導薄膜のTcの膜厚依存性と断面TEM観察 (2009)
  • Author(s): 北郷伸弥, 河野明大, 入山慎吾, 岡田竜介, 高野義彦, 梅沢仁, 平間一行, 知京豊裕, 川原田洋
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 筑波大学,つくば市
  • Year and Date: 20090330-20090331
• [Presentation] モリブデンダイヤモンド界面のモリブデンカーバイド薄膜の超伝導特性 (2009)
  • Author(s): 渡邉恵, 入山慎吾, 岡田竜介, 河野明大, 神宮宜克, 平間一行, 高野義彦, 川原田洋
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 筑波大学,つくば市
  • Year and Date: 20090330-20090331
• [Presentation] ダイヤモンド超伝導体薄膜の作製と接合形成に向けた微細加工の検討 (2009)
  • Author(s): 川江健, 吉田和弘, 奥野央典, 飯山宏一, 高野義彦, 森本章治
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 筑波大学,つくば市
  • Year and Date: 20090330-20090331
• [Presentation] 高濃度ボロンドープダイヤモンド薄膜の合成と超伝導特性 (2009)
  • Author(s): 渡邉恵, 入山慎吾, 岡田竜介, 河野明大, 高野義彦, 梅沢仁, 神宮宜克, 平間一行, 川原田洋
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 立教大学,東京都
  • Year and Date: 20090327-20090330
• [Presentation] 光電子分光による高濃度ホウ素ドープダイヤモンドの金属-絶縁体転移前後の電子状態の観測 (2009)
  • Author(s): 岡崎宏之, 菅原克明, 佐藤宇史, 横谷尚睦, 高橋隆, 脇田高徳, 村岡祐治, 平井正明, 高野義彦, 石井聡, 入山慎吾, 川原田洋
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 立教大学,東京都
  • Year and Date: 20090327-20090330
• [Presentation] シリコンの光電子分光:ボロン濃度依存性/ Photoemission study of silicon : boron concentration dependence (2008)
  • Author(s): 脇田高徳, 岡崎宏之, 佐伯邦成, 小野雅紀, 江口豊明, 奥田太一, 原沢あゆみ, 松田巌, 長谷川幸雄, 高野義彦, 平井正明, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学,岩手県
  • Year and Date: 20080920-20080923
• [Presentation] 高濃度ボロンドープダイヤモンド超伝導への膜厚の影響/Effect of film thickness on superconductivity of heavily boron doped superconducting diamond (2008)
  • Author(s): 岡田竜介, 入山慎吾, 河野明大, 平間一行, 高野義彦, 梅沢仁, 川原田洋
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学,岩手県
  • Year and Date: 20080920-20080923
• [Presentation] ボロンドープダイヤモンドにおける極低温トンネル顕微分光/Low temperature tunneling microscopy/spectroscopy in Boron-Doped Diamond (2008)
  • Author(s): 西嵜照和, 高野義彦, 長尾雅則, 竹之内智大, 川原田洋, 小林典男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学,岩手県
  • Year and Date: 20080920-20080923
• [Presentation] Superconductivity in B-doped Diamond (2008)
  • Author(s): Yoshihiko Takano
  • Organizer: ISBB2008
  • Place of Presentation: 国際会議場,島根県
  • Year and Date: 20080907-20080912
• [Presentation] Superconductivity in B-doped Diamond (2008)
  • Author(s): Yoshihiko Takano
  • Organizer: LT25
  • Place of Presentation: コンベンションセノター,アムステルダム,オランダ
  • Year and Date: 20080806-20080813
• [Presentation] Lattice expansion and superconductivity in heavily boron-doped diamond thin film (2008)
  • Author(s): Shingo Iriyama, Ryusuke Okada, Akihiro Kawano, Yoshihiko Takano, Akira Ishii, Hitoshi Umezawa, Kazuyuki Hirama, Hiroshi Kawarada
  • Organizer: IWSDRM2008
  • Place of Presentation: (独)物質・材料研究機構物材機構,つくば市
  • Year and Date: 20080707-20080709
• [Presentation] Localized Nature of Carriers in Boron-Doped Diamond Revealed by Laser Photoemission Spectroscopy (2008)
  • Author(s): Kyoko Ishizaka, Ritsuko Eguchi, Shunsuke Tsuda, Takayuki Kiss, Takayoshi Yokoya, A. Chainani, Takahiro Shimojima, Shik Shin, Tadashi Togashi, Shuntaro Watanabe, C. T. Chen, Yoshihiko Takano, Masanori Nagao, Sakaguchi Isao, Tomohiro Takenouchi, Hiroshi Kawarada
  • Organizer: IWSDRM2008
  • Place of Presentation: (独)物質・材料研究機構物材機構,つくば市
  • Year and Date: 20080707-20080709
• [Presentation] The relationship between Hall coefficient factor and supercond uctivity of heavily boron doped diamond (2008)
  • Author(s): Hiroshi Kawarada, Hitoshi Ishiwata, Ryosuke Okada, Shingo Iriyama, Akihiro Kawano, Yoshihiko Takano, Hitoshi Umezawa, Takayoshi Yokoya
  • Organizer: IWSDRM2008
  • Place of Presentation: (独)物質・材料研究機構物材機構,つくば市
  • Year and Date: 20080707-20080709
• [Book] CVD Diamond for Electronic Devices and Sensers (2009)
  • Author(s): 高野義彦, 他
  • Total Pages: 571
  • Publisher: WILEY