マルチゲート構造を持つ超伝導電界効果トランジスタの研究

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K04145
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 立木 実 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
• 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

Outline of Annual Research Achievements

超伝導層/2次元正孔ガス(2DHG)層/超伝導層の3領域からなるダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)を世界で初めて作製し、ゲート電圧によるドレイン電流の変調効果を１K-10Kにおいて実現した。エッチング側壁面の超伝導転移温度の低い面方位で常伝導化することで、超伝導電流が流れる細い稜線を形成する稜線伝導型のデバイスを新たに開発した。これに加えて、新たにC-H チャネルデバイスと比べて高移動度が期待できるSi終端ダイヤモンド(C-Si-O)をチャネルに、(111)超伝導ボロンドープダイヤモンドをソース・ドレイン電極に用いたMOSFETを作製し、極低温環境下での動作を検証した。最終年度において、ボロンドープダイヤモンドチャネルFETの超伝導電流の直接ゲート変調にもはじめて成功した。
単結晶Bi2212銅酸化物超伝導体を劈開貼り付け法により薄膜化し、Arイオンエッチング装置によって超伝導チャネルを3.8μm程度に微細化した。また、希塩酸処理によるBi2212の超薄膜化についても検討した。汎用半導体シミュレータを用いて３次元シミュレーションを行い、マルチゲートチャネルにおけるキャリア濃度の電界変調効果を知ることができるようになった。超伝導トランジスタの動作理解に必要な磁束量子の駆動状態を観測するために、磁気光学薄膜センサの独自開発を行い、単一磁束量子レベルの運動をリアルタイムに観察できる磁気光学顕微鏡システムの開発に成功するとともに、ニオブ材料の単一磁束量子および磁束量子クラスター形成のその場観察に成功した。有限要素法や磁束量子の動力学法シミュレーションを開発し、磁束量子の運動を理論的に可視化することに成功した。また、開発した磁気光学顕微鏡により、高温超伝導体薄膜やMgB2コンポジット超伝導体の磁束侵入過程の様子の磁気顕微鏡によるリアルタイム観察を行った。

Research Products

• [Journal Article] Microstructural Study of YBCO Thin Films With Stripe-Patterned Substrates for Ultra-Fine Multi-Filaments (2024)
  • Author(s): Matsumoto Akiyoshi、Tachiki Minoru、Ooi Shuuichi、Teranishi Ryo、Inoue Masayoshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Pages: 1～4
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3366159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Consideration of Magnetic Flux Distribution in Multi-Filamented YBa2Cu3O7-δ Films by Controlling Crystal Array Using Surface-Modified Substrate (2024)
  • Author(s): Fujimoto Hiroki、Matsumoto Akiyoshi、Ooi Shuuichi、Tachiki Minoru、Inoue Masayoshi、Teranishi Ryo
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Pages: 1～4
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3362729
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of YBCO Patterned Multi-Filamentary Film Using Photolithography Method (2023)
  • Author(s): Matsumoto Akiyoshi、Tachiki Minoru、Ooi Shuuichi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Pages: 1～4
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3244515
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong phase coherence and vortex matter in a fractal system with proximity-induced superconductivity (2023)
  • 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 Pages: 155146(1～13)
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155146
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 磁気光学イメージングによる高純度ニオブ中の単一磁束量子観察 (2024)
  • Author(s): 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.
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Zrをパターニングした基板上でフィラメント構造化した MOD-YBCO薄膜のTEMによる微細組織観察 (2024)
  • Author(s): 藤本大貴, Guo Zimeng, 波多 聰, 寺西 亮, 松本 明善, 大井 修一, 立木 実
  • Organizer: 第106回低温工学・超電導学会
• [Presentation] Reduction of Etching Damage and SQUID Operation of Single-Crystalline Diamond Josephson Junctions by Ridge Conduction Structure (2023)
  • Author(s): Y.Hashimoto, C.Wakabayashi, Y.Takahashi, Y.Takano, M.Tachiki, S.Ooi, H. Kawarada
  • Organizer: 2023 MRS Fall Meeting &Exhibit, Boston, USA, Nov 26-Dec 1, 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Supercurrent modulation in superconducting boron-doped diamond thin films by field effect (2023)
  • Author(s): C. Wakabayashi, Y. Hashimoto, M. Takeuchi, S. Ooi, M. Tachiki, Y. Takano, H.Kawarada
  • Organizer: 3rd International Symposium on Design and Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture
• [Presentation] 超伝導フラクタルナノ複合体の位相コヒーレンス形成と渦糸構造 (2023)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第29回 渦糸物理ワークショップ
• [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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第29回 渦糸物理ワークショップ
• [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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第29回 渦糸物理ワークショップ
• [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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [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)
  • Author(s): 浦中智貴, 寺西亮, 立木 実, 松本 明善
  • Organizer: 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
• [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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] C-Si-Oチャネルを用いたダイヤモンドMOSFETの 極低温環境下における動作実証 (2023)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第70回 応用物理学会春季学術講演会