JP2014169195A - Diamond single crystal having diamond nv optical center - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a diamond single crystal having NV optical centers arranged in a desired size and/or shape on a desired surface and/or in a space in a crystal, and NV optical centers automatically arranged in a desired size and/or shape on a desired surface and/or in space in a crystal during growing a diamond without a post-process, using a CVD method capable of growing a high quality diamond single crystal.SOLUTION: A diamond single crystal 2 having nitrogen-vacancy compound defects 1 automatically arranged on a surface of the crystal and/or in a space of the crystal during crystal growth of a diamond by homoepitaxial growth is manufactured by controlling and growing the diamond in a step flow mode at a crystal growth rate of 50 nm/h or less using a microwave plasma CVD method after forming variation of a local off-angle on a diamond single crystal substrate using the substrate having an off-angle of 0° or more and 0.5° or less as a substrate.

Description

本発明は、NV光学中心をダイヤモンド単結晶に関し、特に所望する結晶表面及び/又は空間内に所望のサイズ及び/又は形状に配置されたダイヤモンド単結晶に関する。   The present invention relates to a diamond single crystal having an NV optical center, and more particularly to a diamond single crystal arranged in a desired size and / or shape within a desired crystal surface and / or space.

最近、ダイヤモンド結晶中で電荷を一つ保持した窒素−空孔複合欠陥(以下、「NV光学中心」という。)に注目が集まっている。図1は、該NV光学中心の格子モデルを示す図である。この欠陥は、単一の光子を放出することができ、さらに、保持した電子のスピン操作により量子ビットとなる。シリコンを代表とする他の材料と比較してダイヤモンドが特別な理由は、すべて室温で動作することが可能な点にある。特に電子スピン操作は室温・固体としては特異的に長いミリ秒の寿命が観測されている。そのため、これまで極低温下でしか動作しないとされてきたが、単一光子源と量子ビットの特徴を兼ね備えた室温動作可能な固体量子素子または微小磁気センサーとしての可能性に、ダイヤモンド中のNV光学中心への期待と注目があつまっている(非特許文献1)。   Recently, attention has been focused on a nitrogen-vacancy composite defect (hereinafter referred to as “NV optical center”) that retains one electric charge in a diamond crystal. FIG. 1 is a diagram showing a lattice model of the NV optical center. This defect can emit a single photon and further becomes a qubit by spin manipulation of the retained electrons. A special reason for diamond compared to other materials typified by silicon is that it can all operate at room temperature. In particular, electron spin manipulation has been observed to have a particularly long millisecond lifetime as a solid at room temperature. For this reason, it has been said that it can only operate at extremely low temperatures, but the potential of a solid-state quantum device or a micromagnetic sensor capable of operating at room temperature that combines the features of a single photon source and a qubit is Expectation and attention for the optical center are gathered (Non-Patent Document 1).

ダイヤモンドのNV光学中心による固体量子素子または微小磁気センサーとしてのポテンシャルが確認されて以来、その素子のリソースとなるNV光学中心をいかにして人為的にダイヤモンド中へ形成し配置し検出するかという、エンジニアリング要素への要求が課題となってきている。
たとえば、NV光学中心を効率よく励起し単一光子を集光するためには、ナノスケールで構成された共振器(ナノワイヤー、微小球、フォトニック結晶など)とのマッチングが不可欠となっている。これらの共振器とのマッチングには、少なくてもダイヤモンドのごく表面(深さ100nm以下)にNV光学中心を必要とする密度で配置することが要求される。また、量子演算のために多量子ビット化を実現するためには、NV光学中心をダイヤモンド結晶中に規則正しく配列(数十ナノメートル程度の間隔)してゆく技術が要求される。さらに、微小磁気センサーとして利用するためには、表面から距離(L)の1/L3に比例して信号が減少するため、極表面(表面より5nm以下程度の深さ)にNV光学中心を必要とする密度で配置する必要がある。
Since the potential as a solid quantum device or a micro magnetic sensor by the NV optical center of diamond has been confirmed, how to artificially form, arrange, and detect the NV optical center, which is the resource of the device, in the diamond, The demand for engineering elements has become an issue.
For example, matching with a nanoscale resonator (nanowire, microsphere, photonic crystal, etc.) is essential to efficiently excite the NV optical center and collect a single photon. . For matching with these resonators, it is required to arrange the NV optical center at a density that requires at least the very surface (depth of 100 nm or less) of diamond. In addition, in order to realize multi-qubits for quantum computation, a technique for regularly arranging NV optical centers in a diamond crystal (an interval of about several tens of nanometers) is required. Furthermore, in order to use as a micro magnetic sensor, the signal decreases in proportion to 1 / L 3 of the distance (L) from the surface, so the NV optical center is placed on the pole surface (a depth of about 5 nm or less from the surface). It is necessary to arrange with the required density.

NV光学中心を人為的に形成するためには、第一段階としてダイヤモンド中に窒素原子と同時に空孔を導入させる必要がある(非特許文献2)。現在、窒素原子を導入する方法には、ダイヤモンドを準備した後、イオン注入法を利用する方法、または、ダイヤモンド合成中に同時に窒素原子(窒素を含むガス等)を原料に混ぜ導入する手法(非特許文献3)が利用されている。   In order to artificially form the NV optical center, it is necessary to introduce vacancies simultaneously with nitrogen atoms in diamond as a first step (Non-patent Document 2). Currently, nitrogen atoms are introduced by using an ion implantation method after preparing diamond, or by introducing nitrogen atoms (such as nitrogen-containing gas) into the raw material at the same time during diamond synthesis. Patent Document 3) is used.

前者のイオン注入法では、イオンビームの集束技術とイオン量の制御性の向上より所望の配置に窒素原子を所望の量でダイヤモンド中に導入できるようになってきた。しかし、イオン注入法は、通常数十kVから数百kVに加速されたイオンが基板へ照射されるため、窒素と同時に空孔も導入されるが、注入された入射イオン分布が広がり、また、イオン注入によって発生する結晶の損傷の滞留が避けられない。特に、チャネリングによるイオンの分布は、結晶の方向、品質、入射イオンのエネルギー、注入量、基板温度、表面形状などの影響を敏感に受けるために、イオン分布の再現性と予測が困難となる。チャネリングの影響を最小にするために、基板を傾け、さらに結晶への損傷を最小にするために、アニールやイオン加速電圧を最小にするなどの試みがなされているが、逆にNV光学中心に必要な空孔が十分に供給されないことにより、NV光学中心の形成効率が、1%程度と、極端に低い。   In the former ion implantation method, it has become possible to introduce a desired amount of nitrogen atoms into diamond in a desired arrangement by improving the ion beam focusing technique and the controllability of the ion amount. However, the ion implantation method usually irradiates the substrate with ions accelerated from several tens of kV to several hundreds of kV, so that vacancies are introduced simultaneously with nitrogen, but the distribution of injected ions is expanded, Residual crystal damage caused by ion implantation cannot be avoided. In particular, the ion distribution due to channeling is sensitive to the influence of crystal direction, quality, incident ion energy, implantation amount, substrate temperature, surface shape, and the like, making it difficult to reproduce and predict the ion distribution. In order to minimize the influence of channeling, attempts have been made to tilt the substrate and minimize the annealing and ion acceleration voltage in order to minimize damage to the crystal. Since the necessary holes are not sufficiently supplied, the formation efficiency of the NV optical center is extremely low, about 1%.

一方、後者のダイヤモンド合成中に同時に窒素原子(たとえば窒素を含むガス等)を原料に混ぜ導入する手法には、化学気相堆積法(CVD法)によるダイヤモンド合成法が利用されている。この方法は、イオン注入と異なり、結晶損傷を発生させないで窒素を導入できる。さらに、結晶成長中において窒素を導入するタイミングを制御することで、表面付近への窒素の取り込みを制御することも可能である。しかし、CVD法による結晶成長は、高品質ゆえに空孔の取り込みが極めて抑制されているため、NV光学中心に必要な空孔を導入させるために、結晶成長後に数MeV程度に加速させた電子ビーム照射が行われており、結果的にはイオン注入と同様に結晶損傷の誘発は避けられない。また、結晶成長は基板全面に渡り行われるため、2次元方向での所望のサイズ・形状での配置ができない。特に、高加速された電子の飛程は結晶表面だけに選択的にとどまることができないため、結晶全体に損傷を滞留させることになる。したがって、上述した現在の手法では、NV光学中心の量子性能を左右する外乱を抑制するための後プロセスの開発が新規に必要となり、ダイヤモンドを利用したポテンシャルを十分に引き出せない。   On the other hand, a diamond synthesis method using a chemical vapor deposition method (CVD method) is used as a method for introducing nitrogen atoms (for example, a gas containing nitrogen) into the raw material at the same time during the latter diamond synthesis. Unlike ion implantation, this method can introduce nitrogen without causing crystal damage. Furthermore, it is possible to control the incorporation of nitrogen into the vicinity of the surface by controlling the timing of introducing nitrogen during crystal growth. However, since the crystal growth by the CVD method is highly suppressed due to the high quality, the electron beam accelerated to about several MeV after the crystal growth in order to introduce the necessary holes into the NV optical center. Irradiation is performed, and as a result, induction of crystal damage is inevitable as in the case of ion implantation. Further, since crystal growth is performed over the entire surface of the substrate, it cannot be arranged in a desired size and shape in a two-dimensional direction. In particular, the range of highly accelerated electrons cannot selectively stay only on the crystal surface, so that damage is retained throughout the crystal. Therefore, in the above-described current method, it is necessary to newly develop a post-process for suppressing disturbance that affects the quantum performance of the NV optical center, and the potential using diamond cannot be sufficiently extracted.

Figure 2014169195
Figure 2014169195

前述のとおり、ダイヤモンドのNV光学中心による固体量子素子または微小磁気センサーにおいては、その素子のリソースとなるNV光学中心を、如何にして人為的に所望の表面又は結晶内の空間に、所望のサイズ及び/又は形状で配置するかが課題であるところ、これまでは充分な解決方法がないのが現状である。   As described above, in a solid quantum element or a micro magnetic sensor using the NV optical center of diamond, the NV optical center which is a resource of the element is artificially placed in a desired surface or a space in a crystal with a desired size. However, the current situation is that there is no sufficient solution until now.

本発明は、このような現状を鑑みてなされたものであって、上述した従来とは異なる手法により高品質なダイヤモンド単結晶成長が可能なCVD法を用い、所望の表面および結晶内の空間、サイズおよび形状で配置されたNV光学中心を有するダイヤモンド、および、後プロセス無しで、ダイヤモンド成長時に自動的に所望の表面および結晶内の空間、サイズおよび形状で配置することを可能とするNV光学中心の製造方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of such a current situation, using a CVD method capable of growing a high-quality diamond single crystal by a method different from the above-described conventional method, a desired surface and a space in the crystal, Diamonds with NV optical centers arranged in size and shape, and NV optical centers that can be placed in the desired surface and crystal space, size and shape automatically during diamond growth without post-processing An object of the present invention is to provide a manufacturing method.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、上記目的を達成するためには、以下の(1)〜(3)の条件が必要であるという知見を得た。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the following conditions (1) to (3) are necessary to achieve the above object.

(1)ダイヤモンドは、基板にもダイヤモンド単結晶を使用したCVD法によるホモエピタキシャル成長であり、その成長速度は、50nm/h以下であること。
通常ダイヤモンドの成長速度を低下させることは、ダイヤモンドの原料、典型的には水素ガスで希釈したメタンガスの濃度を下げることで可能となるが、同時にダイヤモンドの結晶成長の性質上、窒素等の不純物だけでなく空孔の取り込みも減少、もしくは観測不可能なレベルまで取りこみが抑制され結晶品質が向上する。
(1) Diamond is homoepitaxial growth by a CVD method using a diamond single crystal as a substrate, and its growth rate is 50 nm / h or less.
Usually, it is possible to reduce the growth rate of diamond by lowering the concentration of diamond raw material, typically methane gas diluted with hydrogen gas, but at the same time, due to the nature of diamond crystal growth, only impurities such as nitrogen In addition, the intake of vacancies is reduced, or the uptake is suppressed to an unobservable level and the crystal quality is improved.

(2)上述したダイヤモンドの結晶成長速度は、ダイヤモンド基板のオフ角が0度以上0.5度以下で実施され、ダイヤモンドの結晶成長様式がステップフロー成長であること。
これにより、CVD法によるダイヤモンド結晶成長の環境中に特定の窒素含有があった場合においては、窒素および空孔が取りこまれない状態が実現している。これは成長速度が遅い場合、不純物や空孔の取りこみが減少、もしくは、観測不可能なレベルまで取りこみが抑制される性質に起因している。一方、ダイヤモンドの成長速度は、原料の濃度以外にも、基板のオフ角によっても制御可能であり、基板のオフ角が大きいほど(0.5度以上)結晶成長速度が増加するという特徴がある。このオフ角と成長速度の関係が最大限発揮されるのがダイヤモンドのステップフロー成長である。結晶速度の増加は、上述した論理とは反対に、環境中の窒素と、空孔の取り込み効率を増加させる。このことは、基板のオフ角を局所的に所望の形状と配置で変化させることができれば、自動的に窒素および空孔の取り込みを同時に制御できることを意味する。
(2) The above-described diamond crystal growth rate is performed when the off-angle of the diamond substrate is 0 ° or more and 0.5 ° or less, and the diamond crystal growth mode is step flow growth.
This realizes a state in which nitrogen and vacancies are not taken in when there is a specific nitrogen content in the environment of diamond crystal growth by CVD. This is because, when the growth rate is slow, the incorporation of impurities and vacancies is reduced, or the incorporation is suppressed to an unobservable level. On the other hand, the growth rate of diamond can be controlled not only by the concentration of the raw material but also by the off-angle of the substrate, and the crystal growth rate increases as the off-angle of the substrate increases (0.5 degree or more). . The step flow growth of diamond maximizes the relationship between the off angle and the growth rate. Increasing the crystallization rate, contrary to the logic described above, increases the nitrogen and vacancies uptake efficiency in the environment. This means that, if the off-angle of the substrate can be locally changed in a desired shape and arrangement, the intake of nitrogen and vacancies can be automatically controlled simultaneously.

(3)所望の表面および結晶内の空間、サイズ、形状で局所的なオフ角変化を基板上へ形成すること。
これは、フォトあるいは電子ビームリソグラフィー法とドライエッチング法による微細加工技術を利用することで、所望のパターンとサイズと配置に設計された基板表面のエッチング加工を行う(微細な溝構造を形成する)。エッチング加工された部分はエッチングされていない部分との境界で局所的なオフ角が変化しているため、設計されたパターンに従ってエッチングされた領域部分において結晶成長の成長速度が相対的に増加し、窒素および空孔の取り込みが相対的に高くなる。この場合、エッチング加工された部分とされていない部分でのオフ角の差、つまりコントラストが大きいほどその効果が十分に得られ、本必要条件はそれを満たすための条件となる。
(3) A local off-angle change is formed on the substrate with a desired surface and space, size, and shape in the crystal.
This is a process of etching a substrate surface that is designed to have a desired pattern, size, and arrangement by using microfabrication technology based on photo or electron beam lithography and dry etching (to form a fine groove structure). . Since the local off angle changes at the boundary between the etched portion and the non-etched portion, the growth rate of crystal growth is relatively increased in the region portion etched according to the designed pattern, Nitrogen and vacancy uptake are relatively high. In this case, the greater the difference in the off-angle between the etched portion and the non-etched portion, that is, the greater the contrast, the better the effect is obtained, and this necessary condition is a condition for satisfying this.

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
[1]ホモエピタキシャル成長によるダイヤモンドの結晶成長時に自動的に結晶表面及び/又は結晶空間内に窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶を製造する方法であって、
基板としてオフ角が0度以上0.5度以下のダイヤモンド単結晶基板を用い、該基板上に局所的なオフ角変化を形成した後、窒素を含有させた原料ガスを用いて、マイクロ波プラズマCVD法により、結晶成長速度50nm/h以下で、ステップフローモードに制御して成長させることを特徴とする窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶の製造方法。
[2]前記の局所的なオフ角変化の形成を、フォトあるいは電子ビームリソグラフィー法及び/又はドライエッチング法による微細加工技術により行うことを特徴とする[1]に記載の窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶の製造方法。
[3]オフ角が0度以上0.5度以下のダイヤモンド単結晶からなり、局所的に形成されたオフ角変化を有する基板と、
該基板上にホモエピタキシャル成長されたダイヤモンド単結晶とからなり、
前記基板上のダイヤモンド単結晶の結晶表面又は結晶空間内に、所望のサイズ及び/又は形状に配置された窒素−空孔複合欠陥を有することを特徴とするダイヤモンド単結晶。
[4]前記窒素−空孔複合欠陥が、規則的に配置されていることを特徴とする[3]に記載のダイヤモンド単結晶。
The present invention has been completed based on these findings, and according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A method for producing a diamond single crystal in which nitrogen-vacancy composite defects are automatically arranged in the crystal surface and / or crystal space during diamond crystal growth by homoepitaxial growth,
A diamond single crystal substrate having an off angle of 0 ° or more and 0.5 ° or less is used as a substrate. After a local off angle change is formed on the substrate, a microwave plasma is used using a source gas containing nitrogen. A method for producing a diamond single crystal in which nitrogen-vacancy composite defects are arranged, wherein the crystal growth rate is controlled to a step flow mode at a crystal growth rate of 50 nm / h or less by a CVD method.
[2] The nitrogen-vacancy composite defect according to [1], wherein the local off-angle change is formed by a fine processing technique using a photo or electron beam lithography method and / or a dry etching method. A method for producing a diamond single crystal in which is arranged.
[3] A substrate made of a diamond single crystal having an off angle of 0 degrees to 0.5 degrees and having a locally formed off angle change;
A diamond single crystal homoepitaxially grown on the substrate,
A diamond single crystal having nitrogen-vacancy complex defects arranged in a desired size and / or shape in a crystal surface or crystal space of the diamond single crystal on the substrate.
[4] The diamond single crystal according to [3], wherein the nitrogen-hole composite defects are regularly arranged.

本発明を利用することにより、1次元状構造、又は0次元構造(ドット状)、さらに、これらの組み合わせ、あるいは連続もしくは断続的なつなぎ合わせ等を応用することで、任意の文字構造もしくは任意図形のパターンに光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶が可能となる。
また、本発明により、従来法ではできなかったNV光学中心をダイヤモンド結晶中に配置するための最適な形状設計が自由に行え、効率よく窒素と空孔を供給可能となる。その設計には、再現性および加工設計精度が高いフォトあるいは電子ビームリソグラフィー法とドライエッチング法による微細加工技術が利用可能となる。また、NV光学中心の形成はダイヤモンド結晶成長と同時に行われるため、従来手法の共通特徴の一つである、空孔の取り込みを行うための電子または荷電粒子によるビーム照射および結晶再構成のためのアニール処理などの後プロセスを必要としないため、NV光学中心の外乱となる結晶損傷が無い優れた特性を発揮できる結晶環境を保持することが可能となる。
By using the present invention, a one-dimensional structure, or a zero-dimensional structure (dot shape), and a combination of these, or continuous or intermittent joining, etc. can be applied. A diamond single crystal in which the optical center is arranged in this pattern becomes possible.
In addition, according to the present invention, it is possible to freely design an optimum shape for arranging the NV optical center in the diamond crystal, which was not possible with the conventional method, and to efficiently supply nitrogen and vacancies. For the design, a fine processing technique using a photo or electron beam lithography method and a dry etching method with high reproducibility and processing design accuracy can be used. In addition, since the formation of the NV optical center is performed simultaneously with the growth of the diamond crystal, it is one of the common features of the conventional method, that is, for beam irradiation with electrons or charged particles for vacancy capturing and crystal reconstruction. Since a post-process such as an annealing process is not required, it is possible to maintain a crystal environment that can exhibit excellent characteristics without crystal damage that causes disturbance of the NV optical center.

ダイヤモンド結晶中の窒素−空孔光学中心の格子モデルLattice model of the nitrogen-hole optical center in diamond crystals. (001)面ダイヤモンド基板のオフ角と表面原子ステップ模式図Schematic diagram of off-angle and surface atomic step of (001) plane diamond substrate ステップフローモードによる成長速度の説明図Explanatory diagram of growth rate in step flow mode オフ角0のダイヤモンド結晶を、<100>方向から見たときの格子模型と局所オフ角形成の概念図Conceptual diagram of lattice model and local off-angle formation when a diamond crystal with an off-angle of 0 is viewed from the <100> direction. 本発明の方法により、1次元状構造に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の一例を示す図The figure which shows an example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned to the one-dimensional structure by the method of this invention 本発明の方法により、1次元状構造に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の他の例を示す図The figure which shows the other example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned to the one-dimensional structure by the method of this invention 本発明の方法により、0次元状構造に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の一例を示す図The figure which shows an example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned at the zero-dimensional structure by the method of this invention 本発明の方法により、0次元状構造に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の他の一例を示す図The figure which shows another example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned at the zero-dimensional structure by the method of this invention 本発明の方法により、0次元状構造(円柱)に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の一例を示す図The figure which shows an example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned to the zero-dimensional structure (cylinder) by the method of this invention 本発明の方法により、0次元状構造(円柱)に光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の他の一例を示す図The figure which shows another example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned to the zero-dimensional structure (cylinder) by the method of this invention. 本発明の方法により、任意の文字構造又は任意形状のパターンに光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶の一例を示す図The figure which shows an example of the diamond single crystal by which the optical center was arrange | positioned by the method of this invention in the pattern of arbitrary character structures or arbitrary shapes (001)面ダイヤモンド単結晶基板上に形成されたライン&スペース状の溝構造Line and space groove structure formed on (001) plane diamond single crystal substrate ホモエピタキシャル成長後の薄膜表面の光学顕微鏡観察像Optical microscope image of thin film surface after homoepitaxial growth (a)フォトルミネッセンスマッピング法による観測結果と(b)そのスペクトル(a) Observation result by photoluminescence mapping method and (b) its spectrum 領域Bの(a)CLスペクトトルと(b)CL像Region B (a) CL spectrum and (b) CL image

以下、本発明の方法について、さらに詳しく説明する。
本発明は、メタンガスと水素ガスの混合ガスを原料としたマイクロ波プラズマCVD法を利用し、単結晶ダイヤモンドを基板として、ホモエピタキシャル成長によるダイヤモンドにより実現するものである。ホモエピタキシャル成長は、基板の結晶構造を敏感に反映した結晶方法の一つである。本発明者らは、これまでに、このマイクロ波プラズマCVD法を利用したダイヤモンドの成長条件の最適化により、結晶表面に存在する原子ステップの横方向の進行により結晶が形成されるステップフローモードに成功している。
Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail.
The present invention uses a microwave plasma CVD method using a mixed gas of methane gas and hydrogen gas as a raw material, and is realized by diamond by homoepitaxial growth using single crystal diamond as a substrate. Homoepitaxial growth is one of crystal methods that sensitively reflects the crystal structure of a substrate. The present inventors have so far adopted a step flow mode in which a crystal is formed by advancing in a lateral direction of atomic steps existing on the crystal surface by optimizing the growth conditions of diamond using the microwave plasma CVD method. Has succeeded.

Figure 2014169195
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本発明では、ダイヤモンドがホモエピタキシャル成長により行われ、さらにその成長様式がステップフローモードに制御されていることが最大の着眼点となる。その理由として、ダイヤモンドの成長、特性に、不純物と空孔の取り込みが成長速度に強く依存しており、さらにその成長速度は、原料ガスであるメタンガス濃度(メタン/水素混合比)が一定の場合、基板のステップ密度に強く依存する。   In the present invention, the most important point is that diamond is formed by homoepitaxial growth and the growth mode is controlled to the step flow mode. The reason for this is that the incorporation of impurities and vacancies strongly depends on the growth rate, depending on the growth and characteristics of diamond, and the growth rate is constant when the concentration of methane gas (methane / hydrogen mixture ratio) as the source gas is constant , Strongly depends on the step density of the substrate.

図3は、ステップフローモードによる成長速度を説明する図であり、ステップフローモードによる成長速度は、次式によって与えられる。
V=Rcosθ・・・・(1)
ここで、Rは原子層に対して垂直方向の成長速度を示し、R=pv、すなわちステップの進行速度vとステップ密度pの積によって表される。
また、ステップ密度pは、p=h/λ=tanθ、すなわち、ステップ高さ(h)とステップテラス幅(λ)の比によって見積もられる。θは基板のオフ角(結晶学上の原子面と実際の表面と傾きのずれ)を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining the growth rate in the step flow mode. The growth rate in the step flow mode is given by the following equation.
V = R cos θ (1)
Here, R represents the growth rate in the direction perpendicular to the atomic layer, and is represented by R = pv, that is, the product of the step speed v and the step density p.
The step density p is estimated by p = h / λ = tan θ, that is, the ratio of the step height (h) to the step terrace width (λ). θ represents the off-angle of the substrate (the difference in tilt between the crystallographic atomic plane and the actual surface).

したがって、基板のステップ密度が大きいほど、つまり、基板のオフ角が大きいほど成長速度が速くなることを示している。言い換えると、このオフ角の変化を基板上に局所的に形成することができれば、その部分においての成長速度を増加できることを意味する。そして、ダイヤモンド合成ガスにある特定量の窒素を添加することにより、窒素の取り込みと空孔の取り込みを局所的に自動的に行うことができる。このとき、基板にできるだけオフ角の少ない(0.5度以下)基板をベースに使うことにより、局所的にオフ角を変化させた部分とそれ以外の部分との成長速度のコントラストを最大にとることができる。
図4は、オフ角0のダイヤモンド結晶を、<100>方向から見たときの格子模型と局所オフ角形成の概念図を示す。図中、横直線は、原子面を示し、曲線の上部は、エッチングされて除去されている部分を示しており、曲線に従ってダイヤモンド表面を局所的にエッチングしたとき、46の原子ステップができる様子を示す。
Therefore, it is shown that the growth rate increases as the step density of the substrate increases, that is, as the off-angle of the substrate increases. In other words, if this change in off-angle can be locally formed on the substrate, it means that the growth rate in that portion can be increased. Then, by adding a specific amount of nitrogen to the diamond synthesis gas, it is possible to automatically and locally incorporate nitrogen and vacancies. At this time, by using a substrate having as small an off-angle as possible (less than 0.5 degrees) as a base, the growth rate contrast between the part where the off-angle is locally changed and the other part is maximized. be able to.
FIG. 4 shows a conceptual diagram of the lattice model and local off-angle formation when a diamond crystal with an off-angle of 0 is viewed from the <100> direction. In the figure, the horizontal straight line indicates the atomic plane, and the upper part of the curve indicates the portion that has been etched away. When the diamond surface is etched locally according to the curve, 46 atomic steps are possible. Show.

局所的なオフ角変化を基板上に形成するには、フォトあるいは電子ビームリソグラフィー法とドライエッチング法によるダイヤモンドの微細加工技術を利用して、所望のパターンとサイズと配置に設計された基板表面のエッチング加工を行うのが好ましい。
基板表面上に所望のパターンを形成した後、該パターンが形成された基板上にダイヤモンド単結晶をホモエピタキシャル成長させる。
In order to form local off-angle changes on the substrate, the micro-fabrication technology of diamond by photo or electron beam lithography and dry etching is used, and the surface of the substrate designed to have a desired pattern, size and arrangement can be obtained. Etching is preferably performed.
After a desired pattern is formed on the substrate surface, a diamond single crystal is homoepitaxially grown on the substrate on which the pattern is formed.

ダイヤモンド薄膜の合成は、マイクロ波プラズマCVD(周波数915MHz,2.45GHzなど)法をはじめとし、hot-filament法、電子衝撃(electron assisted)法、Plasma Torche法、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)法、直流放電プラズマ(DC discharge plasma)法、高周波プラズマ(RF plasma)法、高周波誘導熱プラズマ(RF induction thermal Plasma)法、直流プラズマジェット(DC plasma Jet)法、燃焼炎法等すべての化学気相堆積法により実施することができるが、本発明では、不純物の取り込みが少ない、マイクロ波プラズマCVD法を用いるのが好ましい。
また、ダイヤモンド合成の為の原料ガスは、メタンガス、二酸化炭素、一酸化炭素など炭素を含むすべてのガスがダイヤモンドの原料ガスの対象となり、本発明では、通常、原料にメタンガス(CH)を使用する。このときメタンガスのカーボン(C)が同位体精製された12CH4ガスと13CH4ガスに変更することによって同位体濃縮されたダイヤモンド薄膜を実現することができる。
原料ガスであるこれらのメタンガスの流量を調整することにより、ダイヤモンドの成長速度を50nm/h以下とする。
また、NV光学中心を形成するためには、窒素(N2)ガス又は同位体精製された142ガスまたは152ガスあるいはそれら含有する原料ガスにより、任意の時間とタイミングおよび任意の流量により混合させる。
Synthesis of diamond thin film includes microwave plasma CVD (frequency 915MHz, 2.45GHz, etc.) method, hot-filament method, electron assisted method, Plasma Torche method, Electron Cyclotron Resonance (ECR) All chemical gases such as the DC method, DC discharge plasma method, RF plasma method, RF induction thermal plasma method, DC plasma jet method, combustion flame method, etc. Although it can be carried out by a phase deposition method, in the present invention, it is preferable to use a microwave plasma CVD method with less impurity incorporation.
In addition, as a raw material gas for synthesizing diamond, all gases including carbon such as methane gas, carbon dioxide, and carbon monoxide are targets of diamond raw material gas. In the present invention, methane gas (CH 4 ) is usually used as a raw material. To do. At this time, an isotope-enriched diamond thin film can be realized by changing the carbon (C) of methane gas into 12 CH 4 gas and 13 CH 4 gas that are isotope-purified.
The growth rate of diamond is set to 50 nm / h or less by adjusting the flow rate of these methane gases which are source gases.
Further, in order to form the NV optical center, any time and timing and any flow rate can be obtained by using nitrogen (N 2 ) gas, isotope-purified 14 N 2 gas or 15 N 2 gas, or source gas containing them. To mix.

このようにして、NV光学中心が結晶表面に配置されたダイヤモンド単結晶構造は、基板に高圧高温合成された単結晶ダイヤモンド基板を使用し、所望の溝構造等のパターンが形成された該基板上にホモエピタキシャル成長させることにより得られる。
また、NV光学中心が結晶内に配置されたダイヤモンド単結晶構造は、前記のようにしてダイヤモンド単結晶の結晶表面にNV光学中心を形成した後、前記の窒素(N2)ガス又は同位体精製された142ガスまたは152ガスあるいはそれらを含む原料ガスに代えて、これらのガスを含有しない原料ガスを用いて、引き続きホモエピタキシャル成長させることにより得られる。
In this way, the diamond single crystal structure in which the NV optical center is arranged on the crystal surface uses a single crystal diamond substrate synthesized at a high pressure and a high temperature on the substrate, and a pattern such as a desired groove structure is formed on the substrate. Obtained by homoepitaxial growth.
The diamond single crystal structure in which the NV optical center is arranged in the crystal is obtained by forming the NV optical center on the crystal surface of the diamond single crystal as described above, and then purifying the nitrogen (N 2 ) gas or the isotope purification. Instead of the 14 N 2 gas or 15 N 2 gas or the raw material gas containing them, the raw material gas not containing these gases is used for subsequent homoepitaxial growth.

図5は、本発明を利用することにより、NV光学中心が配置されたダイヤモンド単結晶構造の例を示すものであり、図5(a)、(b)は、1次元状構造、図5(c)〜(f)は、0次元構造(ドット状を含む)、図5(g)は、これらの組み合わせ、あるいは連続もしくは断続的なつなぎ合わせ等を応用した任意の文字構造もしくは任意図形のパターンを示している。
図中、溝構あるいは凹状構造のサイズについては、W1、W2、L1、L2は、任意スケールとすることができる。また、D、D1、L1、φW1を、10μm以下とすることが望ましく、D2を、0.5nm〜100nmとすることが望ましい。ただし、成長条件を変更および最適化することにより上述したサイズを超えることが出来る。
FIG. 5 shows an example of a diamond single crystal structure in which the NV optical center is arranged by using the present invention. FIGS. 5 (a) and 5 (b) show a one-dimensional structure, FIG. c) to (f) are 0-dimensional structures (including dot shapes), and FIG. 5G is a combination of these, or an arbitrary character structure or an arbitrary figure pattern applying continuous or intermittent joining. Is shown.
In the figure, regarding the size of the groove structure or the concave structure, W 1 , W 2 , L 1 , and L 2 can be arbitrarily scaled. Further, D, D 1 , L 1 and φW 1 are desirably 10 μm or less, and D 2 is desirably 0.5 nm to 100 nm. However, the size described above can be exceeded by changing and optimizing the growth conditions.

上述した本発明の方法を検証するために、電子ビームリソグラフィー法とドライエッチング法による微細加工技術を利用し、X線回折により評価されたオフ角0.5度のダイヤモンド単結晶基板上に、以下のようにして、結晶<110>方位に平行なライン(エッチング部分=溝部分)&スペース(エッチングしていない部分)状の溝構造を作製した。表面上のパターン作製は電子ビーム描画装置を利用した。低欠陥で高品質なダイヤモンド薄膜を合成するために、基板に高圧高温合成された単結晶ダイヤモンドを使用した。このとき、高圧高温合成された単結晶ダイヤモンド、つまり購入直後のダイヤモンド表面は、通常機械研磨されているため、表面には研磨傷や研磨痕が存在しているが、あらかじめこれらを除去するためにスカイフ研磨により再研磨された表面荒さRa<40nm以下のダイヤモンド基板を使用した。   In order to verify the above-described method of the present invention, a fine processing technique using an electron beam lithography method and a dry etching method is used, and on a diamond single crystal substrate having an off angle of 0.5 degrees evaluated by X-ray diffraction, In this manner, a line (etched portion = groove portion) & space (unetched portion) groove structure parallel to the crystal <110> orientation was produced. An electron beam lithography apparatus was used for pattern production on the surface. In order to synthesize high-quality diamond thin films with low defects, single crystal diamond synthesized at high pressure and high temperature was used for the substrate. At this time, single-crystal diamond synthesized at high pressure and high temperature, that is, the diamond surface immediately after purchase, is usually mechanically polished, so there are polishing scratches and marks on the surface. A diamond substrate having a surface roughness Ra <40 nm or less repolished by Skyf polishing was used.

パターンが形成されたマスクを、該ダイヤモンド単結晶基板に載置して、酸素ガスと四フッ化炭素ガスを用いたICP(Inductively Coupled Plasma)エッチングプロセスにより、矩形状の溝構造を形成した。図6は、ダイヤモンド表面に加工されたパターンを示す。
基板表面上に図5に示した4パターンを形成した後、この溝構造を有する基板上に、以下に記載する方法により、ダイヤモンド単結晶をホモエピタキシャル成長させた。
The mask on which the pattern was formed was placed on the diamond single crystal substrate, and a rectangular groove structure was formed by an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching process using oxygen gas and carbon tetrafluoride gas. FIG. 6 shows a pattern processed on the diamond surface.
After the four patterns shown in FIG. 5 were formed on the substrate surface, a diamond single crystal was homoepitaxially grown on the substrate having this groove structure by the method described below.

マイクロ波プラズマCVD法を用いたエピタキシャル成長には、不純物の取り込みが少なく、安定動作可能なステンレス製の反応容器を持つエンドランチ型マイクロ波プラズマCVD装置を使用する。該装置は、主にマイクロ波電源、反応容器、基板温度制御系、原料ガス供給系、真空排気系から構成される。ここでは、マイクロ波電源部は、最大出力1.5kW、周波数2.45GHzのマグネトロンを使用した。
また、ダイヤモンド合成の為の原料ガスはメタンガス、二酸化炭素、一酸化炭素など炭素を含むすべてのガスがダイヤモンドの原料ガスの対象となり、本発明では、通常、原料にメタンガス(CH4)を使用する。このときメタンガスのカーボン(C)が同位体精製された12CH4ガスと13CH4ガスに変更することによって同位体濃縮されたダイヤモンド薄膜を実現することができる。
For epitaxial growth using the microwave plasma CVD method, an end launch type microwave plasma CVD apparatus having a stainless steel reaction vessel that has a small amount of impurity incorporation and can be stably operated is used. The apparatus mainly includes a microwave power source, a reaction vessel, a substrate temperature control system, a source gas supply system, and a vacuum exhaust system. Here, the microwave power unit uses a magnetron with a maximum output of 1.5 kW and a frequency of 2.45 GHz.
In addition, as a raw material gas for synthesizing diamond, all gases including carbon such as methane gas, carbon dioxide, and carbon monoxide are targets of diamond raw material gas. In the present invention, methane gas (CH 4 ) is usually used as a raw material. . At this time, an isotope-enriched diamond thin film can be realized by changing the carbon (C) of methane gas into 12 CH 4 gas and 13 CH 4 gas that are isotope-purified.

ダイヤモンド基板は、基板反応容器へセットする前に、硫酸過水の加熱洗浄、ふっ酸洗浄、有機溶剤による超音波洗浄、超純粋煮沸洗浄を行い、ダイヤモンド基板表面の汚染物の除去を行う。次に、洗浄されたダイヤモンド基板を反応容器内のステージにセットし、反応容器内を10-8Torr台の真空度を保ち、分圧計により炭素系残留ガスが10-9Torr台もしくは検出限界以下であることを確認する。 Prior to setting the diamond substrate in the substrate reaction vessel, the surface of the diamond substrate is removed by heating and washing with sulfuric acid, hydrofluoric acid, ultrasonic cleaning with an organic solvent, and ultrapure boiling cleaning. Next, the cleaned diamond substrate is set on the stage in the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is kept at a vacuum level of 10 −8 Torr, and the carbon-based residual gas is 10 −9 Torr or below the detection limit by a partial pressure gauge. Make sure that

ダイヤモンド薄膜を合成するための原料には、商用レベルの高純度水素ガス及び高純度のメタンガス又は同位体精製された高純度メタンガスを使用する。これらのガスはマスフローコントローラーによって流量制御された状態で、マニホールドによって均一に混合し、混合されたガスをダイヤモンド合成装置の反応容器上部のシャワーヘッドからガスシャワーとして反応容器に導入する。このとき、典型的に混合されるガス比は99.85%が水素で残り0.15%がメタンである。このとき、メタンの水素ガスに対する混合比はダイヤモンド薄膜の成長速度を決める要因のひとつであるため、ダイヤモンドの成長速度が50nm/h以下になるようにメタンガスの流量を調整する。
一方、ガスの大部分を占める水素ガス中の残留炭素の影響を抑制するため、水素ガスはメタンガスとの混合する直前で、白金触媒の化学吸着方式による水素精製器により、一酸化炭素(CO)、炭酸ガス(CO2)、炭化水素(CH4等)などの水素ガス中の残留不純物を除去した純度99.9999999%の水素ガスを使用する。
As raw materials for synthesizing the diamond thin film, commercial-grade high-purity hydrogen gas and high-purity methane gas or isotope-purified high-purity methane gas are used. These gases are uniformly mixed by a manifold in a state where the flow rate is controlled by a mass flow controller, and the mixed gas is introduced into the reaction vessel as a gas shower from a shower head above the reaction vessel of the diamond synthesizer. At this time, the gas ratio typically mixed is 99.85% hydrogen and the remaining 0.15% methane. At this time, since the mixing ratio of methane to hydrogen gas is one of the factors that determine the growth rate of the diamond thin film, the flow rate of methane gas is adjusted so that the growth rate of diamond is 50 nm / h or less.
On the other hand, in order to suppress the influence of residual carbon in the hydrogen gas that occupies most of the gas, the hydrogen gas is carbon monoxide (CO) immediately before mixing with methane gas by a hydrogen purifier using a platinum catalyst chemical adsorption method. Hydrogen gas having a purity of 99.99999% from which residual impurities in hydrogen gas such as carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbon (CH 4 etc.) are removed is used.

その後、上述した混合ガスを反応容器に導入し、下記の条件により合成する。代表的な合成パラメータは、基板温度800℃、マイクロ波パワー750W、全ガス圧力25Torr、全ガス流量400SCCM、水素/メタン混合比0.15%である。ここで、ダイヤモンド薄膜の厚みは、ダイヤモンドの成長速度がわかっているため、合成時間により制御する。
NV光学中心を形成するためには、窒素(N2)ガス又は同位体精製された142ガスまたは152ガスあるいはそれらを含むガスにより、任意の時間とタイミングおよび任意の流量により混合させる。ここでは、メタンガスに対する窒素Nの混合比が2%以下となるように調整した。
Thereafter, the above-described mixed gas is introduced into the reaction vessel and synthesized under the following conditions. Typical synthesis parameters are a substrate temperature of 800 ° C., a microwave power of 750 W, a total gas pressure of 25 Torr, a total gas flow rate of 400 SCCM, and a hydrogen / methane mixture ratio of 0.15%. Here, the thickness of the diamond thin film is controlled by the synthesis time since the growth rate of diamond is known.
To form the NV optical center, nitrogen (N 2 ) gas or isotope-purified 14 N 2 gas or 15 N 2 gas or a gas containing them is mixed at an arbitrary time and timing and at an arbitrary flow rate. . Here, the mixing ratio of nitrogen N to methane gas was adjusted to 2% or less.

図7は、ホモエピタキシャル成長後の薄膜表面の光学顕微鏡像を示す。
図中、A〜Dは、前記図6に示す4パターンの溝幅(A=1μm、B=5μm、C=0.5μm、D=2μm)の構造領域に対応するものを示し、Eは、通常のエピタキシャル面を示している。
通常のエピタキシャル面E領域(エッチング処理をされていない領域)は、ステップフロー成長特有のマクロステップバンチングによる表面構造を示しているのに対し、微細構造上での表面は、不規則なステップバンチング構造が抑制され、いずれの領域も平滑性が向上し、溝構造に並行なマクロステップが見られる成長様式となる。また、膜厚500nmの成長設計に対し、深さ2μmの溝部が完全に覆われており、溝部の成長速度は通常のエピタキシャル面(E領域)と比較し4倍以上の成長速度が局所的に実現されていることを確認した。
FIG. 7 shows an optical microscope image of the thin film surface after homoepitaxial growth.
In the figure, A to D indicate the structure corresponding to the structure width of the four patterns shown in FIG. 6 (A = 1 μm, B = 5 μm, C = 0.5 μm, D = 2 μm), E is A normal epitaxial surface is shown.
A normal epitaxial surface E region (region not subjected to etching treatment) shows a surface structure by macro step bunching peculiar to step flow growth, whereas a surface on a fine structure has an irregular step bunching structure. Is suppressed, smoothness is improved in any region, and a growth mode in which macro steps parallel to the groove structure are seen is obtained. In addition, for a growth design with a film thickness of 500 nm, a groove portion having a depth of 2 μm is completely covered, and the growth rate of the groove portion is locally 4 times or more higher than that of a normal epitaxial surface (E region). It was confirmed that it was realized.

NV光学中心の確認は、共焦点顕微鏡システムによるフォトルミネッセンスマッピング法により評価を行った。NV光学中心は、電子を一つ保持した場合、637nmにゼロフォノン線を持つ発光が観測される。
図8の(a)に、各パターン構造からのフォトルミネッセンスマッピングの結果を示す。観測領域は80μm×80μmで分解能は、0.2μmである。図に示すとおり、いずれのライン&スペースからも溝構造部分に局在した発光が観測された。
図8の(b)に、この発光をスペクトル分析した一例を示す。この結果から、溝構造に局在した発光の起源が電子を一つ保持したNV光学中心であることを示す。
The confirmation of the NV optical center was evaluated by a photoluminescence mapping method using a confocal microscope system. In the NV optical center, when one electron is held, light emission having a zero phonon line at 637 nm is observed.
FIG. 8A shows the result of photoluminescence mapping from each pattern structure. The observation area is 80 μm × 80 μm, and the resolution is 0.2 μm. As shown in the figure, luminescence localized in the groove structure was observed from any line and space.
FIG. 8B shows an example of spectral analysis of this luminescence. From this result, it is shown that the origin of light emission localized in the groove structure is the NV optical center holding one electron.

次にパターン構造を持つ薄膜の品質を評価するためにカソードルミネッセンス法によりバンド端領域における発光の観測を行った。
図9は、領域Bの観測結果を示す図であり、観測流域は、190μm×190μm、観測温度は80Kである。
図9の(a)は、パターン領域からのカソードルミネッセンスイメージとその発光強度分布(ラインプロファイル)の一例を示す。イメージのコントラストの明るい部分は可視光域からの発光を示す。フォトルミネッセンスマッピングの結果と同様に、溝構造に局在された発光が観測されている。
図9の(b)はパターン領域からのカソードルミネッセンススペクトルを示す。図に示すとおり235nmに鋭いピークを持つフリーエキシトンからの発光が観測されている。この発光は欠陥や不純物の少ない高品質なダイヤモンド本来の発光で、品質評価の指標として利用される。ここで注目されるのが、575nmにピークを示す発光が同時に観測されていることである。このピークは電子が捕獲されていないNV光学中心を起源とする発光である。カソードルミネッセンス法は励起に使用する電子ビームのエネルギーが大きいことから、いわゆる空の状態のNV光学中心に対して高い感度を持っている。
この結果は、CVD法により高品質なダイヤモンド環境を維持しながら、所望の配置にNV光学中心が人為的に形成できていることを示す。つまり、NV光学中心がダイヤモンド結晶中に空間的に独立して存在していることを示す。
Next, in order to evaluate the quality of the thin film with the pattern structure, the emission in the band edge region was observed by the cathodoluminescence method.
FIG. 9 is a diagram showing the observation result of the region B. The observation basin is 190 μm × 190 μm and the observation temperature is 80K.
FIG. 9A shows an example of the cathodoluminescence image from the pattern region and its emission intensity distribution (line profile). The bright part of the image shows light emission from the visible light range. Similar to the result of photoluminescence mapping, light emission localized in the groove structure is observed.
FIG. 9B shows a cathodoluminescence spectrum from the pattern region. As shown in the figure, light emission from free exciton having a sharp peak at 235 nm is observed. This light emission is the original light emission of high-quality diamond with few defects and impurities, and is used as an index for quality evaluation. It is noted here that light emission having a peak at 575 nm is simultaneously observed. This peak is emitted from the NV optical center where no electrons are captured. The cathodoluminescence method has high sensitivity to the so-called empty NV optical center because the energy of the electron beam used for excitation is large.
This result shows that the NV optical center can be artificially formed in a desired arrangement while maintaining a high quality diamond environment by the CVD method. That is, the NV optical center is spatially independent in the diamond crystal.

CVD法を利用した高品質なダイヤモンド結晶成長を実現しながら、窒素が原料ガスに添加されているにもかかわらず、ダイヤモンドの結晶成長の性質を利用することにより、自動的に所望の表面空間、サイズ、形状、そして配置されたダイヤモンドの作り分けが自在に行えることを示した。このことは、本発明の方法を実験的に実証しているといえる。   While realizing high-quality diamond crystal growth using the CVD method, the desired surface space is automatically obtained by utilizing the crystal growth properties of diamond, despite the fact that nitrogen is added to the source gas. It was shown that size, shape, and arrangement of diamonds can be made freely. This can be said to experimentally demonstrate the method of the present invention.

本発明のNV光学中心が組み込まれたダイヤモンドおよびその製造方法は、ナノスケールの磁気センサー、量子暗号通信や量子コンピューターなどの次世代情報処理技術に必要となる高品質な素子および形成技術に適応することができる。また本技術を応用し、たとえば取り込み原子を変更することで様々な光学中心が形成可能とすることができる。それにより、光学中心固有の発光、つまり発光波長(色)の異なる発光を所望の設計により配置された状態からの発光パターンをダイヤモンドから検出することができるようになり、光の伝搬を制御可能なダイヤモンドによるフォトニック結晶への応用が考えられる。
また、近年天然ダイヤモンドに変わる資源としてCVD法により合成されたダイヤモンドが注目されているが、その際、ダイヤモンドの鑑定および識別の観点から製造元を判別することが難しいことが問題となっており、このとき、本発明を利用することで、隠し文字として入れ込みということが可能となるため、製造元のダイヤモンドかどうかを識別可能とする新たなタッグ技術としての利用も考えられる。
The diamond incorporating the NV optical center of the present invention and the manufacturing method thereof are adapted to high-quality elements and forming techniques required for next-generation information processing technologies such as nanoscale magnetic sensors, quantum cryptography communication, and quantum computers. be able to. In addition, by applying the present technology, for example, by changing the incorporated atoms, various optical centers can be formed. As a result, it is possible to detect the light emission pattern from the state where the light emission peculiar to the optical center, that is, the light emission having a different emission wavelength (color) is arranged according to the desired design, and the light propagation can be controlled. It can be applied to photonic crystals with diamond.
In recent years, diamond synthesized by the CVD method has attracted attention as a resource to replace natural diamond, but at that time, it is difficult to determine the manufacturer from the viewpoint of diamond identification and identification. Sometimes, by using the present invention, it is possible to insert it as a hidden character, so that it can be used as a new tag technology that can identify whether it is a manufacturer's diamond or not.

1:NY光学中心が形成されている領域
2:ダイヤモンド単結晶
1: Region where NY optical center is formed 2: Diamond single crystal

Claims (4)

ホモエピタキシャル成長によるダイヤモンドの結晶成長時に自動的に結晶表面及び/又は結晶空間内に窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶を製造する方法であって、
基板としてオフ角が0度以上0.5度以下のダイヤモンド単結晶基板を用い、該基板上に局所的なオフ角変化を形成した後、窒素を含有させた原料ガスを用いて、マイクロ波プラズマCVD法により、結晶成長速度50nm/h以下で、ステップフローモードに制御して成長させることを特徴とする窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶の製造方法。
A method for producing a diamond single crystal in which nitrogen-vacancy composite defects are automatically arranged in a crystal surface and / or crystal space during crystal growth of diamond by homoepitaxial growth,
A diamond single crystal substrate having an off angle of 0 ° or more and 0.5 ° or less is used as a substrate. After a local off angle change is formed on the substrate, a microwave plasma is used using a source gas containing nitrogen. A method for producing a diamond single crystal in which nitrogen-vacancy composite defects are arranged, wherein the crystal growth rate is controlled to a step flow mode at a crystal growth rate of 50 nm / h or less by a CVD method.
前記の局所的なオフ角変化の形成を、フォトあるいは電子ビームリソグラフィー法及び/又はドライエッチング法による微細加工技術により行うことを特徴とする請求項1に記載の窒素−空孔複合欠陥が配置されたダイヤモンド単結晶の製造方法。   2. The nitrogen-vacancy composite defect according to claim 1, wherein the formation of the local off-angle change is performed by a microfabrication technique using a photo or electron beam lithography method and / or a dry etching method. A method for producing a diamond single crystal. オフ角が0度以上0.5度以下のダイヤモンド単結晶からなり、局所的に形成されたオフ角変化を有する基板と、
該基板上にホモエピタキシャル成長されたダイヤモンド単結晶とからなり、
前記基板上のダイヤモンド単結晶の結晶表面又は結晶空間内に、所望のサイズ及び/又は形状に配置された窒素−空孔複合欠陥を有することを特徴とするダイヤモンド単結晶。
A substrate made of a diamond single crystal having an off angle of 0 degrees to 0.5 degrees and having a locally formed off angle change;
A diamond single crystal homoepitaxially grown on the substrate,
A diamond single crystal having nitrogen-vacancy complex defects arranged in a desired size and / or shape in a crystal surface or crystal space of the diamond single crystal on the substrate.
前記窒素−空孔複合欠陥が、規則的に配置されていることを特徴とする請求項3に記載のダイヤモンド単結晶。   The diamond single crystal according to claim 3, wherein the nitrogen-vacancy composite defects are regularly arranged.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018080352A (en) * 2016-11-14 2018-05-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Method for synthesizing diamond, microwave generator and plasma treatment apparatus
JP2020029386A (en) * 2018-08-23 2020-02-27 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Diamond single crystal and method for manufacturing the same
CN110914204A (en) * 2017-04-26 2020-03-24 二A 科技有限公司 Large single crystal diamond and method for producing the same
CN113097330A (en) * 2021-03-02 2021-07-09 西安交通大学 Single crystal diamond ultraviolet detector and preparation method thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7098368B2 (en) 2018-03-20 2022-07-11 株式会社Lixil Joinery

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011529018A (en) * 2008-07-23 2011-12-01 エレメント シックス リミテッド Diamond material

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011529018A (en) * 2008-07-23 2011-12-01 エレメント シックス リミテッド Diamond material

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018080352A (en) * 2016-11-14 2018-05-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Method for synthesizing diamond, microwave generator and plasma treatment apparatus
JP7111299B2 (en) 2016-11-14 2022-08-02 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Method and plasma processing apparatus for synthesizing diamond
CN110914204A (en) * 2017-04-26 2020-03-24 二A 科技有限公司 Large single crystal diamond and method for producing the same
JP2020029386A (en) * 2018-08-23 2020-02-27 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Diamond single crystal and method for manufacturing the same
JP7070904B2 (en) 2018-08-23 2022-05-18 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Diamond single crystal and its manufacturing method
CN113097330A (en) * 2021-03-02 2021-07-09 西安交通大学 Single crystal diamond ultraviolet detector and preparation method thereof
CN113097330B (en) * 2021-03-02 2023-12-19 西安交通大学 Single crystal diamond ultraviolet detector and preparation method thereof

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