【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.10】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24WS0073
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
早稲田大学 / Waseda Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
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）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（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
電気特性, 超伝導材料・物質・素子, 単結晶ボロンドープダイヤモンド, 超伝導共振器, 直接変調型超伝導FET,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,ALD,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ワイドギャップ半導体/ Wide gap semiconductor,パワーエレクトロニクス/ Power electronics,エレクトロデバイス/ Electronic device
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
竹内 雅治
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）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-004：原子層堆積装置
WS-007：ICP-RIE装置
WS-023：高性能半導体デバイス アナライザ＋プローバ
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
1. 耐酸化性に優れた単結晶超伝導B-dopedダイヤモンドを用いて高Q値が期待される超伝導共振器を作成し実現する。
2. 厚膜・高濃度のB-dopedダイヤ層を使用することで、単結晶超伝導B-dopedダイヤモンドを用いた直接変調型超伝導FETの性能向上を目指す。
実験 / Experimental
ダイヤモンド基板上に成膜した超伝導B-dopedダイヤモンド層にリソグラフィとEB蒸着によってTi/Auのエッチングマスクを作製し、ICP-RIE装置（WS-007）を用いてO2でエッチングを行いデバイス形状を形成した。その後、高性能半導体デバイスアナライザ＋プローバ（WS-023）を用いてエッチングによって電気的に素子分離が行われているか確認を行なった。
また超伝導FETについては原子層堆積装置（WS-004）を使用しAl2O3を成膜し、リソグラフィ後ウエットエッチングをしてゲート絶縁膜を形成し、その上にリソグラフィとEB蒸着によってAlでゲート電極を配置した。
結果と考察 / Results and Discussion
前述の工程によって図1のような形状の共振器を単結晶B-dopedダイヤモンドを用いて作製した。しかし、図1中のCH1のような線路において作製したデバイスの殆どで超伝導転移しきらず、図2のような残留抵抗が発生してしまった。原因は共振器のデバイスが大型であることによってB-doped層成膜時にデバイス内で長距離に膜の均一性が確保できなかったことにあると考えられる。成膜条件の変更などを繰り返し、残留抵抗の解消を試みたが解消には至らず、超伝導共振器の作製は断念することとなった。
一方超伝導FETについては、図3に示すような直接変調型の超伝導FETを作製し、極低温での測定を起こった。結果図4のように約20 mAの超伝導臨界電流の変調と最大9.2 Kでの超伝導FET動作を記録し、先行研究から大幅な動作特性の向上を果たした。要因としては厚膜・高濃度のB-dopedダイヤを用いてデバイスを作製したことが考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 超伝導共振器レイアウト
図2 R-T特性(CH1:共振器feed line,CH2:バルク部分)
図3 ダイヤモンド超伝導トランジスタ概略
図4 Ids-Vds特性のVgs依存性(最大Ic18.2 mA変調)
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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