超伝導ダイヤモンド基板、超伝導デバイス及び製造方法
【課題】表面に（１１１）結晶面が存在すると共にＢが高濃度でドープされ、優れた超伝導特性を有する超伝導ダイヤモンド積層膜、デバイス及び製造方法を提供する。
【解決手段】下層ダイヤモンド膜２は、表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成されたものであり、気相合成により形成されている。また、超伝導ダイヤモンド膜４は、下層ダイヤモンド膜２上に積層され、ホウ素が高濃度に、例えば、ホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５．０％以上にドーピングされている。前記ダイヤモンド粒子は一定方向に配列されている。
【解決手段】下層ダイヤモンド膜２は、表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成されたものであり、気相合成により形成されている。また、超伝導ダイヤモンド膜４は、下層ダイヤモンド膜２上に積層され、ホウ素が高濃度に、例えば、ホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５．０％以上にドーピングされている。前記ダイヤモンド粒子は一定方向に配列されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導特性を有する気相合成ダイヤモンド基板、これを微細加工した超伝導デバイス及び超伝導ダイヤモンド基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド膜を超伝導体化するためには、Ｂ原子を取り込み易い（１１１）結晶面がダイヤモンド膜表面に存在することが必要であり、また超伝導デバイス化にはダイヤモンドを薄膜化することが望ましい。
【０００３】
最近、硼素（Ｂ）を高濃度にドープした高圧合成ダイヤモンドが臨界温度２．３Ｋで超電導体となることが見出された（非特許文献１:以下、従来技術１という）。また、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて、高濃度にＢをドープしたダイヤモンドを合成し、低温測定を行なった結果、臨界温度１２Ｋが達成された（非特許文献２：以下、従来技術２という）。
【０００４】
【非特許文献１】E. A. Ekimov et al., Nature, Vol.428, p.542(2004)
【非特許文献２】Y. Takano et al., Appl. Phys. Lett., Vol.85, p.2851(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術１では、単結晶ダイヤモンドを基板としているので、基板自身が高価であり、表面積も高々数ｍｍ角であるので、超伝導デバイスを形成する場合に、微細加工が困難であるという問題点がある。
【０００６】
また、従来技術２では、ＣＶＤ（化学気相成長）法により多結晶ダイヤモンド層を合成しているが、図６に見られるように、シリコン基板上に直接高濃度にＢをドーブしたダイヤモンド膜をＣＶＤ法により合成しているために、ダイヤモンド結晶中に結晶欠陥が多く発生し、またダイヤモンド層内にシリコン原子が不純物として含まれている可能性もあり、超伝導特性を低下させる原因となっている。
【０００７】
図６のダイヤモンド膜の表面は（１１１）結晶面を有するダイヤモンド粒子が集合した多結晶体で構成されている。ダイヤモンド（１１１）結晶面は不純物原子を取り込み易い結晶面であり、ダイヤモンド膜はＢ／Ｃ＝２％（ボロンと炭素との原子数比が２％）というように高濃度にＢがドーピングされているが、ダイヤモンド粒子の配列が無秩序であるために、粒界密度が高く、電流が流れにくい材料構造となっている。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、表面に（１１１）結晶面が存在すると共にＢが高濃度でドープされ、優れた超伝導特性を有する超伝導ダイヤモンド基板、デバイス及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る超伝導ダイヤモンド基板は、表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成された気相合成による下層ダイヤモンド膜と、前記下層ダイヤモンド膜の上に積層され、ホウ素が高濃度にドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜と、を有し、前記ダイヤモンドの４角錐状の突起は一定方向に配列していることを特徴とする。但し、本発明において、突起とは、下層ダイヤモンド膜の表面から、０．５μｍ以上の高さを有するものをいう。
【００１０】
この超伝導ダイヤモンド基板において、前記４角錐状突起は、多少傾いていてもよいし、頂点又は辺の一部が欠けている場合も本発明の４角錐状突起に含まれる。また、この突起を構成するダイヤモンド粒子の配列方向は一定方向に配列されているが、この一定方向は厳密なものではなく、ほぼ一定の方向に配列されていればよい。
【００１１】
例えば、前記ダイヤモンド粒子は一定方向に配列されている。また、前記超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることが好ましい。更に、前記超伝導ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であることが好ましい。
【００１２】
そして、前記超伝導ダイヤモンド膜が、前記下層ダイヤモンド膜の上の所定の領域に選択的に積層することにより、超伝導ダイヤモンド基板による回路パターンが得られる。
【００１３】
また、前記回路パターンの１箇所又は複数箇所の部分において、回路幅を１μｍ以下とすることにより、この部分でジョセフソン接合を構成することができる。
【００１４】
更に、前記超伝導ダイヤモンド膜上に積層された絶縁層と、この絶縁層上に形成されホウ素が高濃度にドーピングされた第２超伝導ダイヤモンド膜とを有し、前記絶縁層を挟む超伝導ダイヤモンド膜及び第２超伝導ダイヤモンド膜との間でジョセフソン接合が構成されるように構成できる。
【００１５】
前記絶縁層は、例えば、アンドープ・ダイヤモンド、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択された１種又は２種以上の材料で形成されている。この場合に、白金（Ｐｔ）膜からなる電極を設けることができる。
【００１６】
上記超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用することにより、超伝導サブミリ波発振素子、超伝導量子干渉素子又は超伝導デジタル集積回路等の超伝導デバイスを得ることができる。
【００１７】
本発明に係る超伝導ダイヤモンド基板の製造方法は、ダイヤモンド（１１１）結晶面から構成され、表面にダイヤモンド粒子の４角錐状の突起を有する下層ダイヤモンド膜を気相合成により形成する工程と、前記下層ダイヤモンド膜の表面上に、ホウ素が高濃度にドーピングされたダイヤモンド膜を積層する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
前記下層ダイヤモンド膜は、高配向性ダイヤモンド膜上に水素ガスで希釈された炭素原子を含むガスを使用して成膜することができる。又は、前記下層ダイヤモンド膜は、高配向性ダイヤモンド膜をエッチング処理することにより成膜することができる。
【００１９】
また、前記超伝導ダイヤモンド膜は、マイクロ波ＣＶＤ法により、反応ガス圧が８０Ｔｏｒｒ（１０６６４Ｐａ）以上の条件で気相合成することにより成膜できる。
【００２０】
更に、前記下層ダイヤモンド膜上に超伝導ダイヤモンド膜を積層し、不要な領域をエッチング除去することにより、前記超伝導ダイヤモンド膜を回路パターンに形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ダイヤモンド結晶欠陥が防止され、シリコン原子が不純物として混入することがなく、優れた超伝導特性を低コストで得ることができる。これにより、超伝導ダイヤモンドの実用化が可能となり、超伝導体、半導体及び絶縁体を同一の材料で実現できるという他の超伝導材料では得られないダイヤモンドの特性を利用して、超伝導膜及び超伝導デバイス等を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明の実施形態に係る超伝導ダイヤモンド基板においては、シリコン等の適宜の基台上に、気相合成により、下層ダイヤモンド膜が形成されており、下層ダイヤモンド膜上に、Ｂを高濃度にドーピングした超伝導ダイヤモンド膜が形成されている。下層ダイヤモンド膜は、基台に対し（１００）配向しており、面内でも、ほぼ一定方向に配向している、所謂高配向膜である。そして、この下層ダイヤモンド膜の表面にはダイヤモンドの４角錐状の突起が形成され、この４角錐状突起はダイヤモンド（１１１）結晶面から構成されている。この突起は、下層ダイヤモンド膜の表面から、０．５μｍ以上の高さを有する。
【００２３】
このダイヤモンドの突起は一定方向に配列されている。また、超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることが好ましい。前記原子数比は、５０％未満とすることもできるが、現実的には、３０％以下、更に好ましくは２０％以下が良い。更に、超伝導ダイヤモンド膜４のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であり、大きければ大きいほど好ましい。
【００２４】
本発明によれば、ダイヤモンド中のＢ濃度が高く、超伝導特性が著しく向上した超伝導ダイヤモンド基板を得ることができる。先ず、第１に、超伝導デバイス等への応用については、広域面積の超伝導ダイヤモンド膜が必要であり、これには直径数インチの基板に成膜が可能なＣＶＤ法で合成したダイヤモンド膜が適している。
【００２５】
第２に、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜の結晶欠陥を低減するためには、従来技術２のようにシリコン基板上に直接にダイヤモンドを合成するのではなく、適当な基台上に、先ず、例えばアンドープのダイヤモンド膜を合成し、この上に高濃度にＢをドーピングしたダイヤモンド膜を合成することが必要である。この方法により、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜は下地の下層ダイヤモンド膜上に積層されるので、結晶欠陥密度は大幅に低減される。
【００２６】
第３に、高濃度にＢをドーピングするためには、下地の下層ダイヤモンド膜表面が（１１１）結晶面から構成されている必要がある。ダイヤモンド（１１１）結晶面は不純物原子を取り込み易い結晶面であり、ダイヤモンド膜はＢ／Ｃ＝２％（ボロンと炭素との原子数比が２％）というように高濃度にＢをドーピングすることができる。
【００２７】
最後に、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜中の最大の欠陥である粒界密度を低減するには、下地の（１１１）結晶面を有する下層ダイヤモンド膜表面が、ピラミッド形状のダイヤモンド突起が一定方向に配列している構造を有すれば良い。このような表面形態を形成することは、図１に示すように、実際に可能である。図１のような表面構造を形成する方法は、実施例に示すが、一般には幾つかの方法があり、実施例の方法には限定されない。
【００２８】
図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜を、基板上の所定の領域のみに選択的に成長させ、その表面上に高濃度にＢをドービングした超伝導ダイヤモンド膜を積層すれば、任意に超伝導回路を微細加工できる。別の方法としては、図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜上に、高濃度にＢをドービングした超伝導ダイヤモンド膜を、所定の領域に選択的に成長させることも可能である。更に、別の方式としては、基板全面に図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜を合成し、その表面上に高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜を積層した後、例えばアルミニウム（Ａｌ）薄膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜等のマスクを所定の領域に形成し、酸素等のプラズマでエッチング処理すれば、前記マスクの下方だけダイヤモンド基板が残り、必要ならば前記マスクを化学溶液で除去すれば、任意のパターンを有する超伝導回路を微細加工できる。更に、高エネルギーのイオンビーム等で、不要なダイヤモンド基板をエッチング除去して、回路パターンを形成することもできる。
【００２９】
極低温で超伝導特性を示すダイヤモンドはダイヤモンド中のＢ原子濃度が、極端に高くなければならない。従来技術２では高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜において、Ｂと炭素（Ｃ）の原子数比（Ｂ／Ｃ）をＢ／Ｃ＝４．５％としている。しかしながら、本発明者らの研究によれば、Ｂ／Ｃ≧５％とすることにより、超伝導臨界温度が大幅に上昇することを見出した。通常の合成方法では、このような高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜は微結晶化してしまい、超伝導特性が見られないが、本発明者らは、高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜の気相合成をガス圧８０Ｔｏｒｒ以上で行うことにより、ダイヤモンドの結晶性を損なうことなく、Ｂドーピング濃度を上げられることを見出した。この場合、投入マイクロ波は５０ｋＷ以上、基板温度は８００℃以上であった。これは、高ガス圧のプラズマを用いることにより、高濃度にＢをドービングしたダイヤモンドでも、結晶性が損なわれないことを示している。
【００３０】
Ｂ／Ｃ≧５％という高濃度にダイヤモンドがＢドーピングされたことを検証する手段は幾つかあるが、本発明者らは簡便な方法として、高濃度にＢがドーピングされたダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であれば、確実に超伝導特性が観測されることを見出した。この方法により、実際に極低温で電気伝導の測定を行なわなくとも、試料が超伝導特性を示すかどうかのスクリーニングが可能である。
【００３１】
ダイヤモンド超伝導膜の主要な用途として、各種の超伝導デバイスが考えられるが、ジョセフソン接合はその基本構造である。
【００３２】
ジョセフソン接合の第１の構造として、ダイヤモンド超伝導膜を微細加工して、一方の超伝導膜が他方の超伝導膜に点接触する構造を形成する。実際的には、超伝導膜の回路の一部に「くびれ」を形成することで、点接触と等価な構造を形成できる。本発明者らの研究によれば、「くびれ」の幅が１μｍ以下であれば、ジョセフソン効果を発現することができた。
【００３３】
ジョセフソン接合の第２の構造として、高濃度にＢがドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜上に、厚さが約ｌｎｍの絶縁膜を蒸着し、更に高濃度にＢがドーピングされた第２の超伝導ダイヤモンド膜を積層して、上記２つの超伝導ダイヤモンド膜に電極を形成して、極低温で電流を流せば、ジョセフソン効果が発現する。本発明においては、例えば、基板となる下層ダイヤモンド膜の表面はピラミッド構造の突起が一方向に配向した集合体であり、大きな凹凸があるにもかかわらず、上述のジョセフソン接合構造が機能することば、本発明において初めて見出された事実である。
【００３４】
絶縁膜としては、先ず、アンドープ・ダイヤモンド膜、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド膜、窒化ホウ素（ＢＮ）膜、炭化珪素（ＳｉＣ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜が可能である。ダイヤモンド以外の絶縁膜では、その厚さが上記のように約ｌｎｍであるが、上記のダイヤモンドを絶縁膜５として用いた場合には、その膜厚が１００ｎｍ程度でもジョセフソン効果が初めて見られた。これは、ダイヤモンド超伝導が、高濃度にＢがドーブされたダイヤモンド膜中の正孔が超伝導作用をすることによるのであり、絶縁膜が上記ダイヤモンドの場合には、正孔がポテンシャル障壁なしに、価電子帯を通過することを示している。
【００３５】
高濃度にＢがドーブされた超伝導ダイヤモンド膜には、電極を形成する必要があるが、電極材料として様々な材料を試験した結果、白金（Ｐｔ）が最適であることが分かった。これは、Ｐｔをダイヤモンド表面に蒸着する際に、Ｐｔがダイヤモンド表面のミクロな凹凸に容易に喰い込むからである。
【００３６】
以上の如く構成された超伝導ダイヤモンドジョセフソン接合素子を使用して、実際に（１）超伝導サブミリ波発振素子、（２）超伝導量子干渉素子、（３）超伝導デジタル集積回路を作製した結果、いずれの場合も、ジョセフソン接合が機能することが確認された。
【００３７】
よって、本発明で示した方法により、超伝導臨界温度が高く、電流密度の高いダイヤモンド超伝導膜、及び超伝導デバイスが可能となる。
【００３８】
なお、第２の超伝導ダイヤモンド膜の形成方法は、上記超伝導ダイヤモンド膜の場合と同一とすることができる。
【実施例１】
【００３９】
図１に示すダイヤモンド表面構造を作製した。先ず、公知の技術（特許第３５４９２２７号、特許第３１２４４２２号、特許第３１７６４９３号、特許第３１９４８２０号）を用いて、ダイヤモンドの（１００）結晶面が面内で同一方向に並んだ「高配向膜」を合成した。合成にはマイクロ波ＣＶＤ装置を用い、２インチ径のシリコン・ウエハに膜厚３０μｍのアンドーブ・ダイヤモンドを合成した。
【００４０】
次いで、原料ガスとして、水素（Ｈ２）で０．５体積％に希釈したメタン（ＣＨ４）を用い、ガス圧を１００Ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）、基板温度を８７０℃に設定して、ダイヤモンドの積層を２０時間行なった。この結果、図１に示す表面形態を有する下層ダイヤモンド膜が合成された。
【００４１】
次いで、最大出力６０ｋＷ、９１５ＭＨｚのマイクロ波ＣＶＤ装置を用い、原料ガスとして、水素（Ｈ２）で０．５体積％に希釈したメタン（ＣＨ４）と１００ｐｐｍに希釈したジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用い、ガス圧を１００Ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）、基板温度を８７０℃に設定して、下層ダイヤモンド膜上に、超伝導ダイヤモンド膜を５時間成膜した。
【００４２】
この結果、高濃度にＢがドーブされたダイヤモンド膜が、厚さ１０μｍ積層された。ダイヤモンド膜の表面形状は図１とほぼ同様であった。二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によれば、積層したダイヤモンドでは、Ｂ／Ｃ＝３％であった。
【００４３】
この試料のカソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定し、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度としたデータで、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の約３５倍であった。
【００４４】
この試料をｌｃｍ角に切り出し、四隅にＰｔ電極を蒸着し、極低温で電流−電圧特性を測定した結果、図２のデータが得られた。高濃度にＢをドープしたダイヤモンド膜は約１５Ｋで電気抵抗がゼロとなり、超伝導化した。
【実施例２】
【００４５】
実施例１で合成した図１の表面形態を有する下層ダイヤモンド膜の表面上に、公知の「選択成長技術」（特開平３‐１３１００３、論文：“Selected area deposition of diamond films” T.Inoue, H.Tachibana, K.Kumagai, K.Miyata, K.Nishimura, K.Kobashi, and A.Nakaue J.Appl. Phys., Vol.67, No.12, pp.7329-7336(1990) 参照）を用いて、概ね図５のような高濃度にＢドープしたダイヤモンド膜で回路を形成した。図３はジョセフソン接合試験回路を示す。アンドープの下層ダイヤモンド膜１５の上に、Ｂを高濃度でドープした超伝導ダイヤモンド膜１０ａ、１０ｂを選択成長させた。超伝導ダイヤモンド膜１０ａは端縁が平坦であるが、超伝導ダイヤモンド膜１０ｂは端縁がＶ字形に絞り込まれており、その先端が超伝導ダイヤモンド膜１０ａの端縁に接触している。従って、この部分で幅方向に「くびれ」１０ｃが生じた回路が構成されている。このくびれ１０ｃは、選択成長によりくびれ形状を形成した後、更にイオンビーム・エッチングにより微細加工したもので、「くびれ」１０ｃの最小幅は０．０５μｍである。超伝導ダイヤモンド膜１０ａ、１０ｂの各他方の端部には、Ｐｔ膜からなる電極１１ａ、１１ｂが形成されており、この電極１１ａ、１１ｂ間に電流計１２，電源１３及び可変抵抗１４が直列に接続されている。この回路（超伝導部分）を５Ｋに冷却し、電圧Ｖを±１０ｍＶの範囲でスイープしたところ、図４に示すように、Ｖ＝０で振動電流が観測された。これは、「くびれ」１０ｃにおけるジョセフソン効果による。以上の実験により、ダイヤモンド膜を用いてジョセフソン接合が形成できることが実証された。
【実施例３】
【００４６】
実施例２と同様に、「選択成長」技術を用いて、図５に示すジョセフソン接合を作製した。このジョセフソン接合素子は、表面に突起を有する下層ダイヤモンド膜２０上にＢを高濃度にドーピングした超伝導ダイヤモンド膜２１が選択的に形成されており、この超伝導ダイヤモンド膜２１の端部にＳｉＯ２膜２２が形成されている。そして、この超伝導ダイヤモンド絶縁膜２１及びＳｉＯ２膜上に絶縁膜２３が形成され、絶縁膜２３，ＳｉＯ２膜２２及び下層ダイヤモンド膜２０上にＢを高濃度にドーピングした第２超伝導ダイヤモンド膜２４が選択的に形成されている。そして、超伝導ダイヤモンド膜２１の表面に電極２５が形成され、第２超伝導ダイヤモンド膜２４の表面に電極２６が形成されている。絶縁膜２３と超伝導ダイヤモンド膜２１，２４が重複する面積は１０μｍ×１０μｍである。絶縁膜２３として、膜厚約５０ｎｍのアンドープ・ダイヤモンドを用いた素子を作製し、電流−電圧特性を測定した結果、実施例２と同様に、ジョセフソン接合に特有の電流が観測された。
【００４７】
ダイヤモンド膜２１，２４として、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンドを用いても、特性に大きな変化はなかった。また、絶縁膜２３として、厚さ数ｎｍの窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、蜜化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を原子層蒸着（ＡＬＤ）装置を用いて成膜しても、実施例２と同様の振動電流が観測された。
【実施例４】
【００４８】
ジョセフソン接合が作製できたことが確認されたので、これを用いてテラヘルツ帯（サブミリ波）発振デバイス、超伝導量子干渉素子、超伝導デジタル集積回路を試作し、その動作を確認した。これらのデバイスは、通信機器等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】下層ダイヤモンド膜の表面の４角錐状突起の形状を示す電子顕微鏡写真である。
【図２】超伝導特性を示すグラフ図である。
【図３】本発明の実施例にて使用したジョセフソン接合試験回路を示す図である。
【図４】ジョセフソン接合の振動電流を示すグラフ図である。
【図５】本発明の実施例の絶縁膜を使用したジョセフソン接合素子を示す断面図である。
【図６】従来のシリコン基板上に形成されたＢを高濃度でドープしたダイヤモンド膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５０】
１：シリコン基板１
２：下層ダイヤモンド膜
３：突起
４：超伝導ダイヤモンド膜
５：絶縁膜
６：第２超伝導ダイヤモンド膜
１０ａ、１０ｂ：超伝導ダイヤモンド膜
１０ｃ：くびれ
１１ａ、１１ｂ：電極
２０：下層ダイヤモンド膜
２１：超伝導ダイヤモンド膜
２３：絶縁膜
２４：第２超伝導ダイヤモンド膜
２５，２６：電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導特性を有する気相合成ダイヤモンド基板、これを微細加工した超伝導デバイス及び超伝導ダイヤモンド基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド膜を超伝導体化するためには、Ｂ原子を取り込み易い（１１１）結晶面がダイヤモンド膜表面に存在することが必要であり、また超伝導デバイス化にはダイヤモンドを薄膜化することが望ましい。
【０００３】
最近、硼素（Ｂ）を高濃度にドープした高圧合成ダイヤモンドが臨界温度２．３Ｋで超電導体となることが見出された（非特許文献１:以下、従来技術１という）。また、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて、高濃度にＢをドープしたダイヤモンドを合成し、低温測定を行なった結果、臨界温度１２Ｋが達成された（非特許文献２：以下、従来技術２という）。
【０００４】
【非特許文献１】E. A. Ekimov et al., Nature, Vol.428, p.542(2004)
【非特許文献２】Y. Takano et al., Appl. Phys. Lett., Vol.85, p.2851(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術１では、単結晶ダイヤモンドを基板としているので、基板自身が高価であり、表面積も高々数ｍｍ角であるので、超伝導デバイスを形成する場合に、微細加工が困難であるという問題点がある。
【０００６】
また、従来技術２では、ＣＶＤ（化学気相成長）法により多結晶ダイヤモンド層を合成しているが、図６に見られるように、シリコン基板上に直接高濃度にＢをドーブしたダイヤモンド膜をＣＶＤ法により合成しているために、ダイヤモンド結晶中に結晶欠陥が多く発生し、またダイヤモンド層内にシリコン原子が不純物として含まれている可能性もあり、超伝導特性を低下させる原因となっている。
【０００７】
図６のダイヤモンド膜の表面は（１１１）結晶面を有するダイヤモンド粒子が集合した多結晶体で構成されている。ダイヤモンド（１１１）結晶面は不純物原子を取り込み易い結晶面であり、ダイヤモンド膜はＢ／Ｃ＝２％（ボロンと炭素との原子数比が２％）というように高濃度にＢがドーピングされているが、ダイヤモンド粒子の配列が無秩序であるために、粒界密度が高く、電流が流れにくい材料構造となっている。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、表面に（１１１）結晶面が存在すると共にＢが高濃度でドープされ、優れた超伝導特性を有する超伝導ダイヤモンド基板、デバイス及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る超伝導ダイヤモンド基板は、表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成された気相合成による下層ダイヤモンド膜と、前記下層ダイヤモンド膜の上に積層され、ホウ素が高濃度にドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜と、を有し、前記ダイヤモンドの４角錐状の突起は一定方向に配列していることを特徴とする。但し、本発明において、突起とは、下層ダイヤモンド膜の表面から、０．５μｍ以上の高さを有するものをいう。
【００１０】
この超伝導ダイヤモンド基板において、前記４角錐状突起は、多少傾いていてもよいし、頂点又は辺の一部が欠けている場合も本発明の４角錐状突起に含まれる。また、この突起を構成するダイヤモンド粒子の配列方向は一定方向に配列されているが、この一定方向は厳密なものではなく、ほぼ一定の方向に配列されていればよい。
【００１１】
例えば、前記ダイヤモンド粒子は一定方向に配列されている。また、前記超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることが好ましい。更に、前記超伝導ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であることが好ましい。
【００１２】
そして、前記超伝導ダイヤモンド膜が、前記下層ダイヤモンド膜の上の所定の領域に選択的に積層することにより、超伝導ダイヤモンド基板による回路パターンが得られる。
【００１３】
また、前記回路パターンの１箇所又は複数箇所の部分において、回路幅を１μｍ以下とすることにより、この部分でジョセフソン接合を構成することができる。
【００１４】
更に、前記超伝導ダイヤモンド膜上に積層された絶縁層と、この絶縁層上に形成されホウ素が高濃度にドーピングされた第２超伝導ダイヤモンド膜とを有し、前記絶縁層を挟む超伝導ダイヤモンド膜及び第２超伝導ダイヤモンド膜との間でジョセフソン接合が構成されるように構成できる。
【００１５】
前記絶縁層は、例えば、アンドープ・ダイヤモンド、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択された１種又は２種以上の材料で形成されている。この場合に、白金（Ｐｔ）膜からなる電極を設けることができる。
【００１６】
上記超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用することにより、超伝導サブミリ波発振素子、超伝導量子干渉素子又は超伝導デジタル集積回路等の超伝導デバイスを得ることができる。
【００１７】
本発明に係る超伝導ダイヤモンド基板の製造方法は、ダイヤモンド（１１１）結晶面から構成され、表面にダイヤモンド粒子の４角錐状の突起を有する下層ダイヤモンド膜を気相合成により形成する工程と、前記下層ダイヤモンド膜の表面上に、ホウ素が高濃度にドーピングされたダイヤモンド膜を積層する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
前記下層ダイヤモンド膜は、高配向性ダイヤモンド膜上に水素ガスで希釈された炭素原子を含むガスを使用して成膜することができる。又は、前記下層ダイヤモンド膜は、高配向性ダイヤモンド膜をエッチング処理することにより成膜することができる。
【００１９】
また、前記超伝導ダイヤモンド膜は、マイクロ波ＣＶＤ法により、反応ガス圧が８０Ｔｏｒｒ（１０６６４Ｐａ）以上の条件で気相合成することにより成膜できる。
【００２０】
更に、前記下層ダイヤモンド膜上に超伝導ダイヤモンド膜を積層し、不要な領域をエッチング除去することにより、前記超伝導ダイヤモンド膜を回路パターンに形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ダイヤモンド結晶欠陥が防止され、シリコン原子が不純物として混入することがなく、優れた超伝導特性を低コストで得ることができる。これにより、超伝導ダイヤモンドの実用化が可能となり、超伝導体、半導体及び絶縁体を同一の材料で実現できるという他の超伝導材料では得られないダイヤモンドの特性を利用して、超伝導膜及び超伝導デバイス等を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明の実施形態に係る超伝導ダイヤモンド基板においては、シリコン等の適宜の基台上に、気相合成により、下層ダイヤモンド膜が形成されており、下層ダイヤモンド膜上に、Ｂを高濃度にドーピングした超伝導ダイヤモンド膜が形成されている。下層ダイヤモンド膜は、基台に対し（１００）配向しており、面内でも、ほぼ一定方向に配向している、所謂高配向膜である。そして、この下層ダイヤモンド膜の表面にはダイヤモンドの４角錐状の突起が形成され、この４角錐状突起はダイヤモンド（１１１）結晶面から構成されている。この突起は、下層ダイヤモンド膜の表面から、０．５μｍ以上の高さを有する。
【００２３】
このダイヤモンドの突起は一定方向に配列されている。また、超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることが好ましい。前記原子数比は、５０％未満とすることもできるが、現実的には、３０％以下、更に好ましくは２０％以下が良い。更に、超伝導ダイヤモンド膜４のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であり、大きければ大きいほど好ましい。
【００２４】
本発明によれば、ダイヤモンド中のＢ濃度が高く、超伝導特性が著しく向上した超伝導ダイヤモンド基板を得ることができる。先ず、第１に、超伝導デバイス等への応用については、広域面積の超伝導ダイヤモンド膜が必要であり、これには直径数インチの基板に成膜が可能なＣＶＤ法で合成したダイヤモンド膜が適している。
【００２５】
第２に、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜の結晶欠陥を低減するためには、従来技術２のようにシリコン基板上に直接にダイヤモンドを合成するのではなく、適当な基台上に、先ず、例えばアンドープのダイヤモンド膜を合成し、この上に高濃度にＢをドーピングしたダイヤモンド膜を合成することが必要である。この方法により、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜は下地の下層ダイヤモンド膜上に積層されるので、結晶欠陥密度は大幅に低減される。
【００２６】
第３に、高濃度にＢをドーピングするためには、下地の下層ダイヤモンド膜表面が（１１１）結晶面から構成されている必要がある。ダイヤモンド（１１１）結晶面は不純物原子を取り込み易い結晶面であり、ダイヤモンド膜はＢ／Ｃ＝２％（ボロンと炭素との原子数比が２％）というように高濃度にＢをドーピングすることができる。
【００２７】
最後に、高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜中の最大の欠陥である粒界密度を低減するには、下地の（１１１）結晶面を有する下層ダイヤモンド膜表面が、ピラミッド形状のダイヤモンド突起が一定方向に配列している構造を有すれば良い。このような表面形態を形成することは、図１に示すように、実際に可能である。図１のような表面構造を形成する方法は、実施例に示すが、一般には幾つかの方法があり、実施例の方法には限定されない。
【００２８】
図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜を、基板上の所定の領域のみに選択的に成長させ、その表面上に高濃度にＢをドービングした超伝導ダイヤモンド膜を積層すれば、任意に超伝導回路を微細加工できる。別の方法としては、図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜上に、高濃度にＢをドービングした超伝導ダイヤモンド膜を、所定の領域に選択的に成長させることも可能である。更に、別の方式としては、基板全面に図１の表面形態を有する下地の下層ダイヤモンド膜を合成し、その表面上に高濃度にＢをドーピングした超伝導ダイヤモンド膜を積層した後、例えばアルミニウム（Ａｌ）薄膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜等のマスクを所定の領域に形成し、酸素等のプラズマでエッチング処理すれば、前記マスクの下方だけダイヤモンド基板が残り、必要ならば前記マスクを化学溶液で除去すれば、任意のパターンを有する超伝導回路を微細加工できる。更に、高エネルギーのイオンビーム等で、不要なダイヤモンド基板をエッチング除去して、回路パターンを形成することもできる。
【００２９】
極低温で超伝導特性を示すダイヤモンドはダイヤモンド中のＢ原子濃度が、極端に高くなければならない。従来技術２では高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜において、Ｂと炭素（Ｃ）の原子数比（Ｂ／Ｃ）をＢ／Ｃ＝４．５％としている。しかしながら、本発明者らの研究によれば、Ｂ／Ｃ≧５％とすることにより、超伝導臨界温度が大幅に上昇することを見出した。通常の合成方法では、このような高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜は微結晶化してしまい、超伝導特性が見られないが、本発明者らは、高濃度にＢがドープされたダイヤモンド膜の気相合成をガス圧８０Ｔｏｒｒ以上で行うことにより、ダイヤモンドの結晶性を損なうことなく、Ｂドーピング濃度を上げられることを見出した。この場合、投入マイクロ波は５０ｋＷ以上、基板温度は８００℃以上であった。これは、高ガス圧のプラズマを用いることにより、高濃度にＢをドービングしたダイヤモンドでも、結晶性が損なわれないことを示している。
【００３０】
Ｂ／Ｃ≧５％という高濃度にダイヤモンドがＢドーピングされたことを検証する手段は幾つかあるが、本発明者らは簡便な方法として、高濃度にＢがドーピングされたダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であれば、確実に超伝導特性が観測されることを見出した。この方法により、実際に極低温で電気伝導の測定を行なわなくとも、試料が超伝導特性を示すかどうかのスクリーニングが可能である。
【００３１】
ダイヤモンド超伝導膜の主要な用途として、各種の超伝導デバイスが考えられるが、ジョセフソン接合はその基本構造である。
【００３２】
ジョセフソン接合の第１の構造として、ダイヤモンド超伝導膜を微細加工して、一方の超伝導膜が他方の超伝導膜に点接触する構造を形成する。実際的には、超伝導膜の回路の一部に「くびれ」を形成することで、点接触と等価な構造を形成できる。本発明者らの研究によれば、「くびれ」の幅が１μｍ以下であれば、ジョセフソン効果を発現することができた。
【００３３】
ジョセフソン接合の第２の構造として、高濃度にＢがドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜上に、厚さが約ｌｎｍの絶縁膜を蒸着し、更に高濃度にＢがドーピングされた第２の超伝導ダイヤモンド膜を積層して、上記２つの超伝導ダイヤモンド膜に電極を形成して、極低温で電流を流せば、ジョセフソン効果が発現する。本発明においては、例えば、基板となる下層ダイヤモンド膜の表面はピラミッド構造の突起が一方向に配向した集合体であり、大きな凹凸があるにもかかわらず、上述のジョセフソン接合構造が機能することば、本発明において初めて見出された事実である。
【００３４】
絶縁膜としては、先ず、アンドープ・ダイヤモンド膜、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド膜、窒化ホウ素（ＢＮ）膜、炭化珪素（ＳｉＣ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜が可能である。ダイヤモンド以外の絶縁膜では、その厚さが上記のように約ｌｎｍであるが、上記のダイヤモンドを絶縁膜５として用いた場合には、その膜厚が１００ｎｍ程度でもジョセフソン効果が初めて見られた。これは、ダイヤモンド超伝導が、高濃度にＢがドーブされたダイヤモンド膜中の正孔が超伝導作用をすることによるのであり、絶縁膜が上記ダイヤモンドの場合には、正孔がポテンシャル障壁なしに、価電子帯を通過することを示している。
【００３５】
高濃度にＢがドーブされた超伝導ダイヤモンド膜には、電極を形成する必要があるが、電極材料として様々な材料を試験した結果、白金（Ｐｔ）が最適であることが分かった。これは、Ｐｔをダイヤモンド表面に蒸着する際に、Ｐｔがダイヤモンド表面のミクロな凹凸に容易に喰い込むからである。
【００３６】
以上の如く構成された超伝導ダイヤモンドジョセフソン接合素子を使用して、実際に（１）超伝導サブミリ波発振素子、（２）超伝導量子干渉素子、（３）超伝導デジタル集積回路を作製した結果、いずれの場合も、ジョセフソン接合が機能することが確認された。
【００３７】
よって、本発明で示した方法により、超伝導臨界温度が高く、電流密度の高いダイヤモンド超伝導膜、及び超伝導デバイスが可能となる。
【００３８】
なお、第２の超伝導ダイヤモンド膜の形成方法は、上記超伝導ダイヤモンド膜の場合と同一とすることができる。
【実施例１】
【００３９】
図１に示すダイヤモンド表面構造を作製した。先ず、公知の技術（特許第３５４９２２７号、特許第３１２４４２２号、特許第３１７６４９３号、特許第３１９４８２０号）を用いて、ダイヤモンドの（１００）結晶面が面内で同一方向に並んだ「高配向膜」を合成した。合成にはマイクロ波ＣＶＤ装置を用い、２インチ径のシリコン・ウエハに膜厚３０μｍのアンドーブ・ダイヤモンドを合成した。
【００４０】
次いで、原料ガスとして、水素（Ｈ２）で０．５体積％に希釈したメタン（ＣＨ４）を用い、ガス圧を１００Ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）、基板温度を８７０℃に設定して、ダイヤモンドの積層を２０時間行なった。この結果、図１に示す表面形態を有する下層ダイヤモンド膜が合成された。
【００４１】
次いで、最大出力６０ｋＷ、９１５ＭＨｚのマイクロ波ＣＶＤ装置を用い、原料ガスとして、水素（Ｈ２）で０．５体積％に希釈したメタン（ＣＨ４）と１００ｐｐｍに希釈したジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用い、ガス圧を１００Ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）、基板温度を８７０℃に設定して、下層ダイヤモンド膜上に、超伝導ダイヤモンド膜を５時間成膜した。
【００４２】
この結果、高濃度にＢがドーブされたダイヤモンド膜が、厚さ１０μｍ積層された。ダイヤモンド膜の表面形状は図１とほぼ同様であった。二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によれば、積層したダイヤモンドでは、Ｂ／Ｃ＝３％であった。
【００４３】
この試料のカソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定し、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度としたデータで、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の約３５倍であった。
【００４４】
この試料をｌｃｍ角に切り出し、四隅にＰｔ電極を蒸着し、極低温で電流−電圧特性を測定した結果、図２のデータが得られた。高濃度にＢをドープしたダイヤモンド膜は約１５Ｋで電気抵抗がゼロとなり、超伝導化した。
【実施例２】
【００４５】
実施例１で合成した図１の表面形態を有する下層ダイヤモンド膜の表面上に、公知の「選択成長技術」（特開平３‐１３１００３、論文：“Selected area deposition of diamond films” T.Inoue, H.Tachibana, K.Kumagai, K.Miyata, K.Nishimura, K.Kobashi, and A.Nakaue J.Appl. Phys., Vol.67, No.12, pp.7329-7336(1990) 参照）を用いて、概ね図５のような高濃度にＢドープしたダイヤモンド膜で回路を形成した。図３はジョセフソン接合試験回路を示す。アンドープの下層ダイヤモンド膜１５の上に、Ｂを高濃度でドープした超伝導ダイヤモンド膜１０ａ、１０ｂを選択成長させた。超伝導ダイヤモンド膜１０ａは端縁が平坦であるが、超伝導ダイヤモンド膜１０ｂは端縁がＶ字形に絞り込まれており、その先端が超伝導ダイヤモンド膜１０ａの端縁に接触している。従って、この部分で幅方向に「くびれ」１０ｃが生じた回路が構成されている。このくびれ１０ｃは、選択成長によりくびれ形状を形成した後、更にイオンビーム・エッチングにより微細加工したもので、「くびれ」１０ｃの最小幅は０．０５μｍである。超伝導ダイヤモンド膜１０ａ、１０ｂの各他方の端部には、Ｐｔ膜からなる電極１１ａ、１１ｂが形成されており、この電極１１ａ、１１ｂ間に電流計１２，電源１３及び可変抵抗１４が直列に接続されている。この回路（超伝導部分）を５Ｋに冷却し、電圧Ｖを±１０ｍＶの範囲でスイープしたところ、図４に示すように、Ｖ＝０で振動電流が観測された。これは、「くびれ」１０ｃにおけるジョセフソン効果による。以上の実験により、ダイヤモンド膜を用いてジョセフソン接合が形成できることが実証された。
【実施例３】
【００４６】
実施例２と同様に、「選択成長」技術を用いて、図５に示すジョセフソン接合を作製した。このジョセフソン接合素子は、表面に突起を有する下層ダイヤモンド膜２０上にＢを高濃度にドーピングした超伝導ダイヤモンド膜２１が選択的に形成されており、この超伝導ダイヤモンド膜２１の端部にＳｉＯ２膜２２が形成されている。そして、この超伝導ダイヤモンド絶縁膜２１及びＳｉＯ２膜上に絶縁膜２３が形成され、絶縁膜２３，ＳｉＯ２膜２２及び下層ダイヤモンド膜２０上にＢを高濃度にドーピングした第２超伝導ダイヤモンド膜２４が選択的に形成されている。そして、超伝導ダイヤモンド膜２１の表面に電極２５が形成され、第２超伝導ダイヤモンド膜２４の表面に電極２６が形成されている。絶縁膜２３と超伝導ダイヤモンド膜２１，２４が重複する面積は１０μｍ×１０μｍである。絶縁膜２３として、膜厚約５０ｎｍのアンドープ・ダイヤモンドを用いた素子を作製し、電流−電圧特性を測定した結果、実施例２と同様に、ジョセフソン接合に特有の電流が観測された。
【００４７】
ダイヤモンド膜２１，２４として、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンドを用いても、特性に大きな変化はなかった。また、絶縁膜２３として、厚さ数ｎｍの窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、蜜化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を原子層蒸着（ＡＬＤ）装置を用いて成膜しても、実施例２と同様の振動電流が観測された。
【実施例４】
【００４８】
ジョセフソン接合が作製できたことが確認されたので、これを用いてテラヘルツ帯（サブミリ波）発振デバイス、超伝導量子干渉素子、超伝導デジタル集積回路を試作し、その動作を確認した。これらのデバイスは、通信機器等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】下層ダイヤモンド膜の表面の４角錐状突起の形状を示す電子顕微鏡写真である。
【図２】超伝導特性を示すグラフ図である。
【図３】本発明の実施例にて使用したジョセフソン接合試験回路を示す図である。
【図４】ジョセフソン接合の振動電流を示すグラフ図である。
【図５】本発明の実施例の絶縁膜を使用したジョセフソン接合素子を示す断面図である。
【図６】従来のシリコン基板上に形成されたＢを高濃度でドープしたダイヤモンド膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５０】
１：シリコン基板１
２：下層ダイヤモンド膜
３：突起
４：超伝導ダイヤモンド膜
５：絶縁膜
６：第２超伝導ダイヤモンド膜
１０ａ、１０ｂ：超伝導ダイヤモンド膜
１０ｃ：くびれ
１１ａ、１１ｂ：電極
２０：下層ダイヤモンド膜
２１：超伝導ダイヤモンド膜
２３：絶縁膜
２４：第２超伝導ダイヤモンド膜
２５，２６：電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成された気相合成による下層ダイヤモンド膜と、
前記下層ダイヤモンド膜の上に積層され、ホウ素が高濃度にドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜と、
を有し、前記ダイヤモンドの４角錐状の突起は一定方向に配列していることを特徴とする超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項２】
前記超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項３】
前記超伝導ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項４】
前記超伝導ダイヤモンド膜が、前記下層ダイヤモンド膜の上の所定の領域に選択的に積層されており、回路パターンを構成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項５】
前記回路パターンの１箇所又は複数箇所の部分において、回路幅が１μｍ以下であり、この部分でジョセフソン接合が構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項６】
更に、前記超伝導ダイヤモンド膜上に積層された絶縁層と、この絶縁層上に形成されホウ素が高濃度にドーピングされた第２超伝導ダイヤモンド膜とを有し、前記絶縁層を挟む超伝導ダイヤモンド膜及び第２超伝導ダイヤモンド膜との間でジョセフソン接合が構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項７】
前記絶縁層は、アンドープ・ダイヤモンド、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（Ｓｉｃ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択された１種又は２種以上の材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項８】
前記超伝導ダイヤモンド膜上に形成された第１電極と前記第２超伝導ダイヤモンド膜上に形成された第２電極との白金（Ｐｔ）膜からなる電極を有することを特徴とする請求項７に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項９】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導サブミリ波発振素子であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１０】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導量子干渉素子であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１１】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導デジタル集積回路であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１２】
ダイヤモンド（１１１）結晶面から構成され、表面にダイヤモンド粒子の４角錐状突起を有する下層ダイヤモンド膜を気相合成により形成する工程と、前記下層ダイヤモンド膜の表面上に、ホウ素が高濃度にドーピングされたダイヤモンド膜を積層する工程とを有することを特徴とする超伝導ダイヤモンド基板の製造方法。
【請求項１３】
前記超伝導ダイヤモンド膜は、マイクロ波ＣＶＤ法により、反応ガス圧が８０Ｔｏｒｒ（１０６６４Ｐａ）以上の条件で気相合成されたことを特徴とする請求項１２に記載の超伝導ダイヤモンド基板の製造方法。
【請求項１】
表面がダイヤモンド（１１１）結晶面により構成され、前記表面にダイヤモンドの４角錐状の突起が形成された気相合成による下層ダイヤモンド膜と、
前記下層ダイヤモンド膜の上に積層され、ホウ素が高濃度にドーピングされた超伝導ダイヤモンド膜と、
を有し、前記ダイヤモンドの４角錐状の突起は一定方向に配列していることを特徴とする超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項２】
前記超伝導ダイヤモンド膜中のホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子数比（Ｂ／Ｃ）が、５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項３】
前記超伝導ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度が、横軸をエネルギー、縦軸をＣＬ強度とした測定データにおいて、４．５ｅＶ以上のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度が４．５ｅＶ未満のエネルギー範囲にあるＣＬバンド強度の２０倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項４】
前記超伝導ダイヤモンド膜が、前記下層ダイヤモンド膜の上の所定の領域に選択的に積層されており、回路パターンを構成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項５】
前記回路パターンの１箇所又は複数箇所の部分において、回路幅が１μｍ以下であり、この部分でジョセフソン接合が構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項６】
更に、前記超伝導ダイヤモンド膜上に積層された絶縁層と、この絶縁層上に形成されホウ素が高濃度にドーピングされた第２超伝導ダイヤモンド膜とを有し、前記絶縁層を挟む超伝導ダイヤモンド膜及び第２超伝導ダイヤモンド膜との間でジョセフソン接合が構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項７】
前記絶縁層は、アンドープ・ダイヤモンド、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープしたダイヤモンド、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（Ｓｉｃ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択された１種又は２種以上の材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項８】
前記超伝導ダイヤモンド膜上に形成された第１電極と前記第２超伝導ダイヤモンド膜上に形成された第２電極との白金（Ｐｔ）膜からなる電極を有することを特徴とする請求項７に記載の超伝導ダイヤモンド基板。
【請求項９】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導サブミリ波発振素子であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１０】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導量子干渉素子であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１１】
前記請求項６乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ダイヤモンド基板により構成されるジョセフソン接合を使用した超伝導デジタル集積回路であることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項１２】
ダイヤモンド（１１１）結晶面から構成され、表面にダイヤモンド粒子の４角錐状突起を有する下層ダイヤモンド膜を気相合成により形成する工程と、前記下層ダイヤモンド膜の表面上に、ホウ素が高濃度にドーピングされたダイヤモンド膜を積層する工程とを有することを特徴とする超伝導ダイヤモンド基板の製造方法。
【請求項１３】
前記超伝導ダイヤモンド膜は、マイクロ波ＣＶＤ法により、反応ガス圧が８０Ｔｏｒｒ（１０６６４Ｐａ）以上の条件で気相合成されたことを特徴とする請求項１２に記載の超伝導ダイヤモンド基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１０３６８８（Ｐ２００７−１０３６８８Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９１９２０（Ｐ２００５−２９１９２０）
【出願日】平成１７年１０月５日（２００５．１０．５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月５日（２００５．１０．５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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