JPWO2015107907A1 - ダイヤモンド結晶、ダイヤモンド素子、磁気センサー、磁気計測装置、および、センサーアレイの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る第1の態様のダイヤモンド結晶は、好ましくは板状のダイヤモンド結晶であって、少なくともその表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有しており、このNV領域はNV中心の濃度以上のドナー濃度を有している。
本発明に係る第2の態様のダイヤモンド結晶は、好ましくは板状のダイヤモンド結晶であって、少なくともその表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有しており、このNV領域の結晶面が{111}面若しくは{111}面と±10°以内のオフ角を有する面であり、NV中心の主軸が前記{111}面に直交する<111>軸である。
本発明に係る第1の態様のセンサーアレイは、ダイヤモンドを用いた素子であって、ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域に接して、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されていることを特徴としている。好ましくは、第1領域が平面内で2次元的に周期配列されており、第1領域のそれぞれの側面若しくは周囲に、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されている。
本発明に係る第2の態様のセンサーアレイは、ダイヤモンドを用いた素子であって、ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域の一方主面側(裏面側)に、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられていることを特徴としている。好ましくは、第1領域は平面内で2次元的に周期配列されており、第1領域のそれぞれの一方主面側(裏面側)に、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられている。また、好ましくは、第1領域に接して、該第1領域よりも低いNV中心濃度を有する第2領域が形成されている。
図11は、本発明に係るセンサーアレイを製造するプロセス例を概念的に説明するための図である。
図12は、本発明に係るセンサーアレイを製造する他のプロセス例を概念的に説明するための図である。
図13は、本発明に係るセンサーアレイを製造する他のプロセス例を概念的に説明するための図で、このプロセス例では、イオン注入法によらず、CVD法により単結晶ダイヤモンド薄膜10bを成膜する際に窒素をドーピングしてNV中心を生成させる。
上述したように、本発明に係るセンサーアレイは、第1領域のエネルギーバンドを第2領域の存在により湾曲させ、このバンド湾曲により第2領域からの拡散による電子注入を生じさせるものであればよい。従って、第2領域はn型のダイヤモンドからなり、第1領域は、pn接合をはじめとする異種導電型の接合部に形成される空乏領域である態様であってもよい。以降の説明では、このような異種導電型の接合部を、いわゆるpn接合として説明するが、「p−n接合」や「in接合」であってもよい。また、この異種導電型の接合部に電流を注入する手段もしくは電圧を印加する手段を備える態様としてもよい。
本発明に係る磁気計測装置に用いられる磁気センサーは、上述のセンサーアレイ20と、該センサーアレイの第1領域のそれぞれの表面から射出する光信号であって、前記NV中心の電子スピン共鳴に起因して生じる光信号を検知する光センサー21を備えている。
10b ダイヤモンド薄膜
11 第1の領域(柱状部)
12 第1のマスク
13 第2のマスク
14a、14b 第3のマスク
15 第2の領域
16 ピラー
17 p−型乃至i型ダイヤモンド薄膜
17a 柱状部
18 マスク
19 n型ダイヤモンド膜
20 センサーアレイ
21 光センサー
22 試料ステージ
23 検体
24 光学系
24a 光源
24b 照射レンズ
24c ダイクロックミラー
25 マイクロ波生成部
26 信号処理部
27 モジュール
28 制御回路
29 電界生成部
100 磁気計測装置
Claims (26)
- 表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有し、該NV領域はNV中心の濃度以上のドナー濃度を有している、ことを特徴とするダイヤモンド結晶。
- 表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有し、前記NV領域の結晶面が{111}面若しくは{111}面と±10°以内のオフ角を有する面であり、前記NV中心の主軸が前記{111}面に直交する<111>軸である、ことを特徴とするダイヤモンド結晶。
- 前記ドナー濃度は、10×1015cm−3〜10×1019cm−3の範囲にある、請求項1または2に記載のダイヤモンド結晶。
- 前記NV領域は、CVD法若しくは高温高圧法(HPHT法)により成長させた窒素ドープのダイヤモンド結晶膜に形成されている、請求項1〜3の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶を用いたダイヤモンド素子。
- ダイヤモンドを用いた素子であって、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域に接して、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されている、ことを特徴とするダイヤモンド素子。
- 前記第1領域が平面内で2次元的に周期配列されており、前記第1領域のそれぞれの側面若しくは周囲に、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されている、請求項6に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第2領域はn型のダイヤモンドからなり、前記第1領域はi型乃至はp型のダイヤモンドからなる、請求項6または7に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第2領域はn型のダイヤモンドからなり、前記第1領域は、pn接合により形成される空乏領域である、請求項6に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第2領域はドナーレベルが1×1018cm−3以上のn+型の導電型を有している、請求項6〜9の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- ダイヤモンドを用いた素子であって、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域の一方主面側に、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられている、ことを特徴とするダイヤモンド素子。
- 前記第1領域が平面内で2次元的に周期配列されており、前記第1領域のそれぞれの一方主面側には、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられている、請求項11に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域に接して、該第1領域よりも低いNV中心濃度を有する第2領域が形成されている、請求項6〜12の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域の結晶面が{111}面若しくは{111}面と±10°以内のオフ角を有する面であり、前記NV中心の主軸が前記{111}面に直交する<111>軸である、請求項6〜13の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域は、該第1領域のNV中心の濃度以上のドナー濃度を有している、請求項6〜14の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記ドナー濃度は、10×1015cm−3〜10×1019cm−3の範囲にある、請求項6〜15の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶。
- 前記ダイヤモンドは、基板上にCVD法若しくは高温高圧法(HPHT法)で形成されたダイヤモンド膜である、請求項6〜16の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域を含むダイヤモンド結晶部の上下面側若しくは側面側に、互いに対向して設けられた少なくとも2つの電極を有する電界生成部を更に備えている、請求項6〜17の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域の周期配列は、前記平面を上方から眺めたときに、2次元正方格子の各格子点に前記第1領域の中心が位置している正方周期配列である、請求項7〜10または12〜18の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 前記第1領域の周期配列は、前記平面を上方から眺めたときに、特定の第1領域の中心位置を中心点とする正六角形の6つの頂点のそれぞれに他の第1領域の中心が位置している六方充填配列である、請求項7〜10または12〜18の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
- 請求項6〜20の何れかに記載のダイヤモンド素子を用いた磁気センサーであって、前記第1領域のそれぞれの表面から射出する光信号であって、前記NV中心の電子スピン共鳴に起因して生じる光信号を検知する光センサーを備えている、磁気センサー。
- 請求項21に記載の磁気センサーを備えた磁気計測装置であって、前記ダイヤモンド素子に対向して設けられた試料ステージと、前記ダイヤモンド素子に青緑色光を照射する光学系と、前記ダイヤモンド素子に周波数可変のマイクロ波を照射するマイクロ波生成部と、前記光センサーで検知した前記NV中心の電子スピン共鳴に起因して生じた光信号を処理する信号処理部と、を備えた磁気計測装置。
- 前記第1領域を含むダイヤモンド結晶部の上下面側若しくは側面側に、互いに対向して設けられた少なくとも2つの電極を有する電界生成部を更に備えている、請求項22に記載の磁気計測装置。
- 板状のダイヤモンドの表面に2次元的に周期配列する柱状部を第1領域として形成し、該第1領域のそれぞれに、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を形成し、前記第1領域のそれぞれの周囲を取り囲む第2領域であって、前記第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域を形成する、ことを特徴とするセンサーアレイの製造方法。
- 前記第1領域の一方主面側に、正電位を印加するための電極を、絶縁膜を介して設ける、ことを特徴とする請求項24に記載のセンサーアレイの製造方法。
- 板状のダイヤモンドの主面上に、ダイヤモンドからなる異種導電型の接合部であって、該接合部の領域に、ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)が形成された異種導電型の接合部を複数形成する、ことを特徴とするセンサーアレイの製造方法。
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