JP7158966B2 - ダイヤモンド基板、量子デバイス、量子システム、及び、ダイヤモンド基板の製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド基板、量子デバイス、量子システム、及び、ダイヤモンド基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、ダイヤモンド基板、量子デバイス、量子システム、及び、ダイヤモンド基板の製造方法に関する。
ダイヤモンドの窒素－空孔中心（以下、ＮＶ中心と称する）は、ダイヤモンド結晶中の炭素の格子点に窒素が入り、窒素と隣り合う位置に空孔が存在する複合欠陥である。ＮＶ中心が有するスピンや、ＮＶ中心が有する光学特性を用い、量子コンピュータ、量子情報機器、又は、量子センサーなどの量子デバイスや量子システムへ、ＮＶ中心を応用することが検討されている。
量子デバイスや量子システムへの応用のためには、ダイヤモンド中のＮＶ中心の密度を高くすることが必要である。したがって、ダイヤモンド中のＮＶ中心の密度の高い高品質なダイヤモンド基板を実現することが望まれる。
Ｆｕｋｕｉ，Ｔ ｅｔ ａｌ．， "Ｐｅｒｆｅｃｔ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｖａｃａｎｃｙ ｃｅｎｔｅｒｓ ｉｎ ｄｉａｍｏｎｄ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ７, ０５５２０１（２０１４）
本発明が解決しようとする課題は、高品質なダイヤモンド基板を提供することにある。
実施形態のダイヤモンド基板は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素を含み、３配位の前記第１の元素が４配位の前記第１の元素よりも多く、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層の前記表面の上の酸化物層と、前記ダイヤモンド層と前記酸化物層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素を含む領域と、を備える。
第１の実施形態のダイヤモンド基板の模式断面図。 第１の実施形態のダイヤモンド層の模式図。 第１の実施形態のＮＶ中心の説明図。 第１の実施形態のダイヤモンド基板の製造方法の一例の説明図。 第１の実施形態のダイヤモンド基板の製造方法の一例の説明図。 第２の実施形態のダイヤモンド層の模式図。 第３の実施形態のダイヤモンド層の模式図。 第４の実施形態のダイヤモンド基板の模式断面図。 第４の実施形態のダイヤモンド基板の窒素濃度分布を示す図。 第４の実施形態の界面終端領域の説明図。 第５の実施形態の量子システムの模式図。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態のダイヤモンド基板は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素を含み、３配位の第１の元素が４配位の第１の元素よりも多く、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層を、備える。
図１は、第１の実施形態のダイヤモンド基板の模式断面図である。第１の実施形態のダイヤモンド基板１００は、ベース層１０（基板）とダイヤモンド層１１を、備える。
ベース層１０は、単結晶のダイヤモンドである。
ダイヤモンド層１１は、単結晶のダイヤモンドである。ダイヤモンド層１１の表面Ｓは、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下である。（１１１）面は、［１１１］方向を法線とする面である。
以下、第１の元素が窒素（Ｎ）である場合を例に説明する。
図２は、第１の実施形態のダイヤモンド層の模式図である。図２は、ダイヤモンド層１１の結晶構造を示す。図２（ａ）はＮＶ中心の説明図である。図２（ｂ）は、炭素（Ｃ）の格子点を窒素（Ｎ）が置換した構造の説明図である。
ＮＶ中心は、図２（ａ）に示すように、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入り、窒素（Ｎ）に隣り合う位置に空孔（Ｖ）が存在する複合欠陥である。
ＮＶ中心の窒素（Ｎ）は、３配位である。すなわち、ＮＶ中心の窒素（Ｎ）は、３個の炭素（Ｃ）とのみ結合している。
図２（ｂ）に示すように、炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入った構造の場合、窒素（Ｎ）は４配位となる。すなわち、窒素（Ｎ）は、４個の炭素（Ｃ）と結合している。以下、この４配位の窒素を置換窒素（ＮＳ）と称する。
ダイヤモンド層１１の中の３配位の窒素は、４配位の窒素よりも多い。言い換えれば、ダイヤモンド層１１の中のＮＶ中心は、置換窒素（ＮＳ）よりも多い。
ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、３配位の窒素が占める割合は、例えば、９５％以上であることが好ましく、９９％以上がより好ましい。１００％であってもよい。言い換えれば、ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、ＮＶ中心を構成する窒素の割合が、例えば、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。１００％であってもよい。
ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下である。
図３は、第１の実施形態のＮＶ中心の説明図である。図３は、ＮＶ中心のバリエーションを示す。
ＮＶ中心の窒素（Ｎ）と空孔（Ｖ）を結ぶ方向には、窒素の置換位置に応じて、４つの方向があり得る。すなわち、［１１１］方向、［１－１－１］方向、［－１１－１］方向、［－１－１１］方向である。以下、ＮＶ中心の窒素（Ｎ）と空孔（Ｖ）を結ぶ方向を、ＮＶ中心の軸方向と称する。
図２（ａ）の場合、ＮＶ中心の軸方向は、［１１１］方向である。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）の場合が、それぞれ、［１－１－１］方向、［－１１－１］方向、［－１－１１］方向である。
ダイヤモンド層１１のＮＶ中心の軸方向は、例えば、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃う。ダイヤモンド層１１のＮＶ中心の軸方向は、例えば、９９％以上の割合で［１１１］方向に揃う。
ダイヤモンド層１１の中の３配位の窒素と、４配位の窒素との量の大小関係は、例えば、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）や、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）により判定することが可能である。
ダイヤモンド層１１の中の窒素の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することが可能である。
ダイヤモンド層１１の中のＮＶ中心の軸方向は、光検出磁気共鳴法（ＯＤＭＲ）により検出することが可能である。
次に、第１の実施形態のダイヤモンド基板１００の製造方法の一例について説明する。図４、図５は、第１の実施形態のダイヤモンド基板の製造方法の一例の説明図である。
第１の実施形態のダイヤモンド基板１００の製造方法は、基板の上に、炭化水素（ＣＨｘ）、及び、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素と、原子状水素（Ｈ）、を含む雰囲気中で、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層を形成し、非酸化性の雰囲気中で、１０００℃以下の温度で熱処理を行う。以下、上記元素が窒素である場合を例に説明する。
最初に、単結晶のダイヤモンドのベース層１０（基板）を準備する。ベース層１０の表面は、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下である。
次に、ベース層１０の上に、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層１１をエピタキシャル成長により形成する。ダイヤモンド層１１の形成は、例えば、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により形成される。
ダイヤモンド層１１は、例えば、メタン（ＣＨ４）、窒素ガス（Ｎ２）、水素ガス（Ｈ２）、及び、原子状水素（Ｈ）を含む雰囲気中で形成する。原子状水素は、加熱触媒体法によって生成する。
加熱触媒体法では、加熱したタングステンフィラメントに水素ガスを導入する。タングステンフィラメント上で水素分子の解離吸着が起こる。そして、原子状水素がタングステンフィラメント上から熱脱離する。タングステンフィラメントの加熱温度は、例えば、１６００℃である。
加熱触媒体法は、熱解離用の金属フィラメントにより熱解離を起こさせる原子状元素生成方法である。加熱触媒体法により、例えば、フッ素分子、水素分子、重水素分子を、それぞれ、フッ素原子、水素原子、重水素原子に解離させることができる。金属フィラメントは、例えば、タングステン、モリブデン、鉄クロム、レ二ウム、又は、トリウムである。
ダイヤモンド層１１を形成する温度は、例えば、５００℃以上８００℃以下である。
ダイヤモンド層１１は、［１１１］方向に原子が積み上がることにより形成される。図４に示すように、ダイヤモンド層１１には、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入り、窒素（Ｎ）に隣り合う炭素（Ｃ）の格子点に水素（Ｈ）が入った結合構造が形成される。窒素（Ｎ）と隣り合う水素（Ｈ）は結合している。以下、この結合構造を窒素－水素中心（ＮＨ中心）と称する。
ＮＨ中心の窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）を結ぶ方向は、［１１１］方向である。以下、窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）を結ぶ方向をＮＨ中心の軸方向と称する。
次に、非酸化性の雰囲気中で、８５０℃以上１０００℃以下の温度で熱処理(第１の熱処理)を行う。非酸化性の雰囲気とは、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスの中から選ばれる少なくとも一つのガス中でのアニールである。
図５に示すように、この熱処理により、ＮＨ中心の水素（Ｈ）が窒素（Ｎ）と分離し、ダイヤモンド層１１の外に拡散する。
結果的にＮＨ中心がＮＶ中心に変換される。生成されたＮＶ中心の軸方向は、ＮＨ中心の軸方向を維持することになり、［１１１］方向となる。
なお、１０００℃を超える熱処理を行うと、空孔（Ｖ）の位置が移動し、ＮＶ中心の軸方向が［１１１］方向以外の方向になるおそれがある。熱処理の温度は、９５０℃以下であることが好ましく、９００℃以下であることがより好ましい。
熱処理の際に、ダイヤモンド層１１に磁場を印加することも可能である。ダイヤモンド層１１に［１１１］方向の磁場を印加させながら熱処理を行うことで、ＮＶ中心の軸方向を、１００％近く［１１１］方向に揃えることが可能となる。
また、磁場を印加させながら熱処理を行うことで、１０００℃を超える熱処理でもＮＶ中心の軸方向を揃えることが可能となる。例えば、１０００℃より高く１３００℃以下の温度で熱処理を行うことが可能となる。例えば、１１５０℃以上１３００℃以下の温度で熱処理を行うことが可能となる。したがって、短時間でＮＨ中心をＮＶ中心に変換することが可能となる。
以上の製造方法により、図１に示すダイヤモンド基板１００が製造される。
次に、第１の実施形態のダイヤモンド基板１００、及び、ダイヤモンド基板１００の製造方法の作用及び効果について説明する。
ＮＶ中心が有するスピンや、ＮＶ中心が有する光学特性を用い、量子コンピュータ、量子情報機器、又は、量子センサーなどの量子デバイスや量子システムへ、ＮＶ中心を応用することが検討されている。量子デバイスや量子システムへの応用のためには、ダイヤモンド中のＮＶ中心の密度を高くすることが望まれる。また、ＮＶ中心の軸方向が一方向に揃っていることが望まれる。ＮＶ中心の軸方向が一方向に揃うことで、ＮＶ中心のスピンの向きが揃うことになる。
例えば、ＮＶ中心を用いて磁気センサーを製造する場合、ダイヤモンド基板に軸方向の揃ったＮＶ中心が高い密度で存在することにより、磁気センサーの感度が向上する。また、例えば、ＮＶ中心を用いて量子メモリを製造する場合、ダイヤモンド基板に軸方向の揃ったＮＶ中心が高い密度で存在することにより、量子メモリの記憶密度が向上する。
第１の実施形態のダイヤモンド基板１００には、軸方向の揃ったＮＶ中心が高い密度で存在する。したがって、高い性能を備える量子デバイス又は量子システムを実現することが可能となる。このような、高密度のＮＶ中心は、ダイヤモンド層１１を形成する際に、一旦、ＮＨ中心を生成した後、ＮＶ中心に変換することにより実現できる。以下、詳述する。
第一原理計算によれば、ダイヤモンドに導入された窒素は、ダイヤモンドの格子点に存在する方が、ダイヤモンドの格子間に存在するよりも安定である。ダイヤモンドに導入された窒素は、ダイヤモンドの格子点に存在する方が、ダイヤモンドの格子間に存在するよりも生成エネルギーが４．７ｅＶ低い。したがって、エネルギー的に安定である。よって、窒素がダイヤモンドに導入されると、図２（ｂ）に示すような、炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入った構造、すなわち、４配位の置換窒素（ＮＳ）が形成されやすい。
また、第一原理計算によれば、置換窒素（ＮＳ）と空孔（Ｖ）が共存すれば、ＮＶ中心を生成することで安定化することが分かった。すなわち、置換窒素（ＮＳ）と空孔（Ｖ）が分かれて存在するよりも、互いに隣り合ってＮＶ中心を生成する方が、生成エネルギーが５．０ｅＶ低い。したがって、エネルギー的に安定である。よって、置換窒素（ＮＳ）と空孔（Ｖ）が共存する状態を作り出せば、ＮＶ中心が生成されやすいことが分かる。
一方、第一原理計算によれば、置換窒素（ＮＳ）と、ＮＶ中心と格子間炭素のペアとの安定性を比較すると、置換窒素（ＮＳ）の方が、生成エネルギーが２．０ｅＶ低く、安定である。したがって、置換窒素（ＮＳ）に結合した炭素（Ｃ）を格子間に移動させ、ＮＶ中心を生成することは困難である。
以上の第一原理計算による計算結果から、ダイヤモンドの中に単に窒素を導入するだけでは、エネルギー的に安定な置換窒素（ＮＳ）が形成され、ＮＶ中心が生成される確率は極めて低くなることが分かる。したがって、ＮＶ中心の密度が高いダイヤモンド基板を製造すること困難である。言い換えれば、導入された窒素は、その殆どが置換窒素（ＮＳ）になってしまう。従来、およそ２．５％程度しか、ＮＶ中心となっておらず、９７．５％が置換窒素（ＮＳ）の状態であった。しかしながら、第１の実施形態に示す製造方法により、ＮＶ中心を増やし、置換窒素（ＮＳ）を減らすことが可能である。
第１の実施形態のダイヤモンド基板１００の製造方法では、図４に示すように、ダイヤモンド層１１を形成する際に、一旦、ＮＨ中心を生成する。第一原理計算の結果、置換窒素（ＮＳ）と原子状態の水素（Ｈ）が共存すれば、ＮＨ中心を生成することで安定化することが判明している。
第１の実施形態のダイヤモンド基板１００の製造方法では、窒素に加えて、原子状水素（Ｈ）を含む雰囲気中でダイヤモンド層１１を形成する。原子状水素（Ｈ）に由来する、原子状態の水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）が結合することにより、ＮＨ中心が生成される。
特に、加熱触媒体法によって生成される原子状水素（Ｈ）を用いることにより、ダイヤモンド層１１に与えるダメージを低減し、効率良くＮＨ中心を生成することが可能となる。
ＮＨ中心が生成した後の、熱処理で窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）が分断されると、格子点の窒素（Ｎ）と空孔（Ｖ）が形成される。置換窒素（ＮＳ）と空孔（Ｖ）が分かれて存在するよりするよりも、ＮＶ中心を生成する方がエネルギー的に安定であるため、ＮＶ中心が生成される。すなわち、ＮＨ中心がその軸方向である［１１１］方向を保ったまま、ＮＶ中心に変換される。
なお、（１１１）面にＣＶＤ法でダイヤモンド層１１を形成する場合、ダイヤモンド層１１は［１１１］方向に原子が積み上がることにより形成される。この際、窒素と原子状態の水素が導入されると、まず、３配位の窒素が形成され、その直上の位置に水素が結合することが、最もエネルギー的に安定となる。したがって、ＮＨ中心の軸方向は、少なくとも９５％以上の割合で［１１１］方向に揃うことになる。
ダイヤモンド基板１００を用いた量子デバイスや量子システムの特性を向上させる観点から、ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、３配位の窒素が占める割合は、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。言い換えれば、ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、ＮＶ中心を構成する窒素の割合が、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。ＮＨ中心をＮＶ中心に変換させる製造方法により、上記割合の実現が可能となる。成膜時間を十分に取って、安定構造を取りながら進めて行くことで、［１１１］方向に揃う割合をより高めることが可能になる。
ダイヤモンド基板１００を用いた量子デバイスや量子システムの特性を向上させる観点から、ダイヤモンド層１１のＮＶ中心の軸方向は、例えば、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃うことが好ましく、９９％以上の割合で［１１１］方向に揃うことがより好ましい。ＣＶＤ法を用いて、ＮＨ中心をＮＶ中心に変換させる製造方法により、上記割合の実現が可能となる。
ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下であることが好ましい。上記範囲を下回ると、ＮＶ中心の密度が不十分となるおそれがある。上記範囲を超えるとダイヤモンドの結晶性が低下するおそれがある。
従来、導入される窒素の濃度は、多くても３．２×１０１９ｃｍ－３程度である。そのうち、およそ２．５％の８．０×１０１７ｃｍ－３程度がＮＶ中心となっている。これ以上の窒素を導入しても、ＮＶ中心の量は増えず、擾乱要因となる置換窒素が増えるだけである。よって、これ以上の窒素導入は無意味であった。
それに対し、水素を導入したＮＨ構造では、歪が緩和されたＮＨ構造からスタートすることが出来る。つまり、擾乱要因となる置換窒素そのものが出来ないので、大量の窒素を導入することが出来るようになる。従来では困難であった量の窒素を導入出来ることになる。例えば、５×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下も可能であり、量が多いことは、特性向上に有効である。１×１０２０ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下が好ましく、５×１０２０ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下が更に好ましい。典型的には５×１０２０ｃｍ－３程度であり、表面から５ｎｍ膜厚に一様に分布しているなら、１×１０１３ｃｍ－２程度の面密度のＮＶ中心が分布したダイヤモンド基板となる。
ダイヤモンド層１１の表面近傍に安定して軸方向の揃ったＮＶ中心を生成する観点から、ダイヤモンド層１１の表面Ｓの（１１１）面に対するオフ角が１０度以下であることが好ましく、０．５度以上２度以下であることがより好ましい。
以上、第１の実施形態によれば、ＮＶ中心の密度が高い高品質なダイヤモンド基板が実現される。また、ＮＶ中心の軸方向が高い割合で揃った高品質なダイヤモンド基板が実現される。
（第２の実施形態）
第２の実施形態のダイヤモンド基板は、窒素－空孔中心（ＮＶ中心）にかえて、リン-空孔中心（ＰＶ中心）、ヒ素－空孔中心（ＡｓＶ）、アンチモン－空孔中心（ＳｂＶ）、又は、ビスマス－空孔中心（ＢｉＶ）を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図６は、第２の実施形態のダイヤモンド層の模式図である。図６は、ダイヤモンド層１１の結晶構造を示す。図６（ａ）はＰＶ中心の説明図である。図６（ｂ）は、炭素（Ｃ）の格子点にリン（Ｐ）が入った構造の説明図である。
ＰＶ中心は、図６（ａ）に示すように、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）の格子点にリン（Ｐ）が入り、リン（Ｐ）に隣り合う位置に空孔（Ｖ）が存在する複合欠陥である。
ＰＶ中心のリン（Ｐ）は、３配位である。すなわち、ＰＶ中心のリン（Ｐ）は、３個の炭素（Ｃ）とのみ結合している。
図６（ｂ）に示すように、炭素（Ｃ）の格子点にリン（Ｐ）が入った構造の場合、リン（Ｐ）は４配位となる。すなわち、リン（Ｐ）は、４個の炭素（Ｃ）と結合している。以下、この４配位のリン（Ｐ）を置換リン（ＰＳ）と称する。
ダイヤモンド層１１の中の３配位のリンは、４配位のリンよりも多い。言い換えれば、ダイヤモンド層１１の中のＰＶ中心は、置換リン（ＰＳ）よりも多い。
ダイヤモンド層１１に含まれるリンの内、３配位のリンが占める割合は、例えば、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。言い換えれば、ダイヤモンド層１１に含まれるリンの内、ＰＶ中心を構成するリンの割合が、例えば、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。
ダイヤモンド層１１に含まれるリンの濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下である。
ダイヤモンド層１１のＰＶ中心の軸方向は、例えば、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃う。ダイヤモンド層１１のＰＶ中心の軸方向は、例えば、９９％以上の割合で［１１１］方向に揃う。
第２の実施形態のダイヤモンド基板は、窒素をリンに置き換えるだけで、第１の実施形態のダイヤモンド基板１００と同様の方法で製造することが可能である。
そして、ダイヤモンド中のＰＶ中心の密度を高くすることは、ダイヤモンド中のＮＶ中心の密度を高くするよりも容易であると考えられる。
上述のように、置換窒素（ＮＳ）と、ＮＶ中心と格子間炭素のペアとの安定性を比較すると、置換窒素（ＮＳ）の方が、生成エネルギーが２．０ｅＶ低く、安定である。したがって、置換窒素（ＮＳ）に隣り合う炭素（Ｃ）を格子間に移動させ、ＮＶ中心を生成することは困難である。
これに対し、置換リン（ＰＳ）と、ＰＶ中心と格子間炭素のペアとの安定性を比較すると、ＰＶ中心と格子間炭素のペアの方が、生成エネルギーが０．８ｅＶ低く、安定である。したがって、置換リン（ＰＳ）に隣り合う炭素（Ｃ）を格子間に移動させ、ＰＶ中心を生成することは容易である。
これは、リンの原子半径が、炭素の原子半径より大きいため、リンが格子点に入るとダイヤモンド結晶の歪が大きくなり、歪の緩和のために空孔（Ｖ）を生成することがエネルギー的に利得があるからと考えられる。
ＰＶ中心は、ＮＶ中心と同様のスピンや、光学特性を有する。したがって、第２の実施形態のダイヤモンド基板を用いることで、高い性能を備える量子デバイス又は量子システムを実現することが可能となる。
なお、リン（Ｐ）にかえて、リン（Ｐ）よりも、更に大きな原子半径を有するヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又は、ビスマス（Ｂｉ）を用いて、ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、又は、ＢｉＶ中心を形成することも可能である。ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、又は、ＢｉＶ中心の場合も、リンと同様の理由で、ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、ＢｉＶ中心を生成することが、容易と考えられる。
また、ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、ＢｉＶ中心も、ＮＶ中心と同様のスピンや、光学特性を有すると考えられる。
以上、第２の実施形態によれば、ＰＶ中心、ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、又は、ＢｉＶ中心の密度が高い高品質なダイヤモンド基板が実現される。また、ＰＶ中心、ＡｓＶ中心、ＳｂＶ中心、又は、ＢｉＶ中心の軸方向が高い割合で揃った高品質なダイヤモンド基板が実現される。
（第３の実施形態）
第３の実施形態のダイヤモンド基板は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素を含み、第１の元素と水素が結合した第１の結合構造を有し、第１の結合構造は、第１の元素が４個の炭素と結合した第２の結合構造よりも多く、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層を、備える。
第３の実施形態のダイヤモンド基板は、窒素－空孔中心（ＮＶ中心）にかえて、窒素－水素中心（ＮＨ中心）を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図７は、第３の実施形態のダイヤモンド層の模式図である。図７は、ダイヤモンド層１１の結晶構造を示す。図７（ａ）は第１の結合構造の説明図である。図７（ｂ）は、第２の結合構造の説明図である。
第１の結合構造は、図７（ａ）に示すように、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入り、窒素（Ｎ）に隣り合う炭素（Ｃ）の格子点に水素（Ｈ）が入っている。第１の結合構造は、第１の実施形態で説明したＮＨ中心に等しい。
ＮＨ中心の窒素（Ｎ）は、１個の水素（Ｈ）と３個の炭素（Ｃ）と結合している。
図７（ｂ）に示すように、第２の結合構造では、炭素（Ｃ）の格子点に窒素（Ｎ）が入った構造である。この場合、窒素（Ｎ）は４配位となる。すなわち、窒素（Ｎ）は４個の炭素（Ｃ）と結合している。第２の結合構造を、置換窒素（ＮＳ）と称する。
ダイヤモンド層１１の中の第１の結合構造は、第２の結合構造よりも多い。言い換えれば、ダイヤモンド層１１の中のＮＨ中心は、置換窒素（ＮＳ）よりも多い。
ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、ＮＨ中心の窒素が占める割合は、例えば、９５％以上である。言い換えれば、ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、ＮＨ中心を構成する窒素の割合が、例えば、９５％以上である。ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の内、ＮＨ中心を構成する窒素の割合が、例えば、９９％以上である。
ダイヤモンド層１１に含まれる窒素の濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下である。
ダイヤモンド層１１のＮＨ中心の軸方向は、例えば、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃う。ダイヤモンド層１１のＮＨ中心の軸方向は、例えば、９９％以上の割合で［１１１］方向に揃う。
第３の実施形態のダイヤモンド基板は、ＮＨ中心を形成した後の熱処理を行わないだけで、第１の実施形態のダイヤモンド基板１００と同様の方法で製造することが可能である。
ダイヤモンド層１１の中の第１の結合構造と、第２の結合構造との量の大小関係は、例えば、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）や、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）により判定することが可能である。
ダイヤモンド層１１の中のＮＨ中心の軸方向は、光検出磁気共鳴法（ＯＤＭＲ）により検出することが可能である。
ＮＨ中心は、ＮＶ中心と同様のスピンや、光学特性を有する。したがって、第３の実施形態のダイヤモンド基板を用いることで、高い性能を備える量子デバイス又は量子システムを実現することが可能となる。
なお、窒素（Ｎ）にかえて、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又は、ビスマス（Ｂｉ）を用いて、リン-水素中心（ＰＨ中心）、ヒ素－水素中心（ＡｓＨ）、アンチモン－水素中心（ＳｂＨ）、又は、ビスマス－水素中心（ＢｉＨ）を形成することも可能である。
ＰＨ中心、ＡｓＨ中心、ＳｂＨ中心、ＢｉＨ中心も、ＮＶ中心と同様のスピンや、光学特性を有すると考えられる。
以上、第３の実施形態によれば、ＰＨ中心、ＡｓＨ中心、ＳｂＨ中心、又は、ＢｉＨ中心の密度が高い高品質なダイヤモンド基板が実現される。また、ＰＨ中心、ＡｓＨ中心、ＳｂＨ中心、又は、ＢｉＨ中心の軸方向が高い割合で揃った高品質なダイヤモンド基板が実現される。
（第４の実施形態）
第４の実施形態のダイヤモンド基板は、ダイヤモンド層の表面の上の酸化物層と、ダイヤモンド層と酸化物層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素を含む領域を、更に備える点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図８は、第４の実施形態のダイヤモンド基板の模式断面図である。第４の実施形態のダイヤモンド基板４００は、ベース層１０（基板）、ダイヤモンド層１１、界面終端領域１２（領域）、保護層１３（酸化物層）を、備える。
第１の元素は、ダイヤモンド層１１の中で、空孔（Ｖ）と隣り合いＮＶ中心などを形成する元素である。第２の元素は、ダイヤモンド層１１と保護層１３との間の界面終端領域１２に存在する終端元素である。
以下、第１の元素が窒素（Ｎ）、第２の元素がリン（Ｐ）である場合を例に説明する。第１の元素と第２の元素は、同一であっても異なっていても構わない。
ベース層１０は、単結晶のダイヤモンドである。
ダイヤモンド層１１は、単結晶のダイヤモンドである。ダイヤモンド層１１の表面Ｓは、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下である。（１１１）面は、［１１１］方向を法線とする面である。
保護層１３は、ダイヤモンド層１１の上に設けられる。保護層１３は、酸化物層の一例である。保護層１３は、例えば、酸化シリコンを含む。
界面終端領域１２は、ダイヤモンド層１１と保護層１３との間に位置する。界面終端領域１２は、終端元素（第２の元素）を、ダングリングボンドを終端する元素として含む。
図９は、第４の実施形態のダイヤモンド基板のリン濃度分布を示す図である。
リンは、ダイヤモンド層１１と保護層１３との間の界面に偏析している。ダイヤモンド層１１、界面終端領域１２、及び、保護層１３のリンの濃度分布は、界面終端領域１２内にピークを有する。
リン濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、５ｎｍ以下である。また、リン濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．２５ｎｍ以下であることがより好ましく、０．２ｎｍ未満であることが更に好ましい。
リンは、ダイヤモンド層１１の表面Ｓの炭素を置換している。窒素はダイヤモンド層１１と３配位していることになる。言い換えれば、リンは、ダイヤモンド層１１の結晶格子の炭素の格子点にある。
界面終端領域１２におけるリン濃度分布のピークのリン濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０２２ｃｍ－３以下である。ピークのリン濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下であることが好ましい。
リンの濃度及び分布は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することが可能である。
図１０は、第４の実施形態の界面終端領域の説明図である。図１０（ａ）は第３の結合構造、図１０（ｂ）は第４の結合構造の説明図である。
界面終端領域１２は、リン（Ｐ）が３個の炭素原子（Ｃ）と結合する第３の結合構造を有する。第３の結合構造では、リン（Ｐ）が３配位である。終端元素であるリン（Ｐ）は、ダイヤモンド層１１の側に位置する３個の炭素（Ｃ）と結合することにより、表面Ｓのダングリングボンドを消滅させている。
界面終端領域１２は、炭素（Ｃ）と結合する酸素（Ｏ）と、酸素（Ｏ）と結合するシリコン（Ｓｉ）を含む第４の結合構造を有する。第４の結合構造では、炭素（Ｃ）とシリコン（Ｓｉ）が、間に酸素（Ｏ）を挟んで結合している。炭素（Ｃ）は、ダイヤモンド層１１の側に位置する。シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）は、保護層１３の側に位置する。
界面終端領域１２の中の第３の結合構造は、例えば、界面終端領域１２の中の第４の結合構造よりも少ない。界面終端領域１２領域の中の第３の結合構造は、例えば、界面終端領域１２の中の第４の結合構造の１０分の１以下である。
界面終端領域１２の中の第３の結合構造及び第４の結合構造の有無、第３の結合構造と第４の結合構造の量の大小関係は、例えば、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）や、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）により判定することが可能である。
ダイヤモンド層１１の表面Ｓに、保護層１３が無い場合、ダイヤモンド層１１の最表面には炭素（Ｃ）のダングリングボンドが存在する。この場合、ダングリングボンドが電子のトラップとして働き、ダイヤモンド層１１中のＮＶ中心の価数が安定しないおそれがある。そのため、表面近傍のＮＶ中心のスピンが機能しなくなるおそれがある。
第４の実施形態のダイヤモンド基板４００は、保護層１３を構成する酸素とダイヤモンド層１１の最表面の炭素が結合することにより、表面Ｓのダングリングボンドが低減される。更に、終端元素が３配位で炭素（Ｃ）と結合することにより、表面Ｓのダングリングボンドが一層低減されている。
したがって、表面近傍のＮＶ中心のスピンが有効に機能するようになる。
終端元素（第２の元素）がリン（Ｐ）である場合を例に説明したが、終端元素として、窒素（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を適用しても、リン（Ｐ）の場合と同様の作用及び効果を得ることが可能である。界面終端領域１２の安定性の観点からは、特に、終端元素がリン（Ｐ）又は窒素（Ｎ）であることが好ましい。
以下、第３の実施形態のダイヤモンド基板の製造方法について説明する。
まず、第１の実施形態の製造方法により、ＮＶ中心を有するダイヤモンド層を有するダイヤモンド基板を製造する。
次に、ダイヤモンド層の上に酸化シリコン層を形成する。酸化シリコン層の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。酸化シリコン層や、例えば、３００℃以下の低温で形成する。
次に、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で熱処理（第２の熱処理）を行う。
熱処理（第２の熱処理）は、例えば、ＮＯ、ＰＯ、ＡｓＯ、ＳｂＯ、ＢｉＯ、ＮＯＣｌ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＯＣｌ３、ＳｂＯＣｌ３、ＢｉＯＣｌ３から選択される少なくとも一種の酸素含有ガスをＮ２、Ａｒ、Ｈｅから選択される少なくとも一種の希釈ガスで希釈して、熱処理温度が１１５０℃以上１３００℃以下、酸素含有ガスの濃度が５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下、で行う。
熱処理（第２の熱処理）は、例えば、熱処理温度が１１５０℃以上１３００℃以下、かつ酸素ガス濃度が５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下、もしくは、熱処理温度が１２００℃以上１３００℃以下、かつ酸素ガス濃度が５０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下で行われる。
熱処理（第２の熱処理）の際に、ダイヤモンド層に磁場を印加することが好ましい。
上記製造方法により、第４の実施形態のダイヤモンド基板を製造することが可能となる。
以上、第４の実施形態によれば、ＮＶ中心の密度が高い高品質なダイヤモンド基板が実現される。また、ＮＶ中心の軸方向が高い割合で揃った高品質なダイヤモンド基板が実現される。更に、ダイヤモンド層１１の表面近傍のＮＶ中心のスピンが有効に機能する高品質なダイヤモンド基板が実現される。
（第５の実施形態）
第５の実施形態の量子デバイス及び量子システムは、第１ないし第４の実施形態のダイヤモンド基板を有する。
図１１は、第５の実施形態の量子システムの模式図である。第５の実施形態の量子システムは、例えば、量子コンピュータ５００である。
量子コンピュータ５００は筐体５０３内に量子演算チップ５０１と量子メモリ５０２を有する。量子演算チップ５０１と量子メモリ５０２は、量子デバイスの一例である。量子演算チップ５０１と量子メモリ５０２は、例えば、第１ないし第４の実施形態のダイヤモンド基板を用いて製造されている。
第５の実施形態によれば、第１ないし第４の実施形態の高品質なダイヤモンド基板を用いることで、高い性能を備える量子デバイス又は量子システムが実現できる。
（第６の実施形態）
第６の実施形態の量子磁気センサーは、第１ないし第４の実施形態のダイヤモンド基板を有する。
ＮＶ中心は、磁場の強度により量子状態の共鳴周波数が変化する性質（ゼーマン効果）を持っており、その性質を用いて磁気検出を行うことができる。磁気検出に寄与するＮＶ中心の数が多いほど磁気感度が向上するため、高密度なＮＶ中心を有するダイヤモンド基板を用いることで、例えば、室温において医療応用に必要とされるフェムトテスラレベルの感度の実現が期待できる。特にＮＶ中心を、例えば、少なくとも１０１７ｃｍ－３以上の高密度で有し、かつ、ＮＶ中心が１方向に揃ったダイヤモンド層を用いることが望ましい。
従来、磁気センサーは、低温で冷やす必要があり、巨大な冷却装置が必要であったが、第６の実施形態であれば、室温～数１００℃の高温まで測定できるため冷却の必要がない。それ故、例えば、体に貼ったり、着衣のように着たり、帽子のようにかぶったりすることのできる、簡便で安価で装置構成で、従来以上の精度を有した、磁気測定が出来るようになる。
第５の実施形態では、量子デバイスとして量子演算チップ５０１及び量子メモリ５０２、量子システムとして量子コンピュータ５００を、第６の実施形態では、量子デバイスとして磁気センサーを例に説明したが、本発明を、その他の量子デバイス又は量子システムに適用することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ ベース層（基板）
１１ ダイヤモンド層
１２ 界面終端領域（領域）
１３ 保護層（酸化物層）
１００ ダイヤモンド基板
４００ ダイヤモンド基板
５００ 量子コンピュータ（量子システム）
５０１ 量子演算チップ（量子デバイス）
５０２ 量子メモリ（量子デバイス）

Claims (13)

  1. 窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素を含み、３配位の前記第１の元素が４配位の前記第１の元素よりも多く、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、
    前記ダイヤモンド層の前記表面の上の酸化物層と、
    前記ダイヤモンド層と前記酸化物層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素を含む領域と、
    を備えるダイヤモンド基板。
  2. 前記３配位の前記第１の元素と、前記３配位の前記第１の元素と隣り合う空孔とを結ぶ方向が、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃う請求項１記載のダイヤモンド基板。
  3. 窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素を含み、前記第１の元素と水素が結合した第１の結合構造を有し、前記第１の結合構造は、前記第１の元素が４個の炭素と結合した第２の結合構造よりも多く、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、
    前記ダイヤモンド層の前記表面の上の酸化物層と、
    前記ダイヤモンド層と前記酸化物層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素を含む領域と、
    を備えるダイヤモンド基板。
  4. 前記第１の元素と前記水素とを結ぶ方向が、９５％以上の割合で［１１１］方向に揃う請求項３記載のダイヤモンド基板。
  5. 請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のダイヤモンド基板を有する量子デバイス。
  6. 請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のダイヤモンド基板を有する量子システム。
  7. 基板の上に、炭化水素、及び、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素と、加熱触媒体法によって生成された原子状水素を含む雰囲気中で、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層を形成し、
    非酸化性の雰囲気中で、１０００℃以下の温度で第１の熱処理を行うダイヤモンド基板の製造方法。
  8. 前記第１の熱処理の際に、前記ダイヤモンド層に磁場を印加する請求項７記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  9. 前記第１の熱処理の後に、前記ダイヤモンド層の上に酸化シリコン層を形成し、
    窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で第２の熱処理を行う請求項７又は請求項８いずれか一項記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  10. 基板の上に、炭化水素、及び、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素と、加熱触媒体法によって生成された原子状水素を含む雰囲気中で、（１１１）面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層を形成し、
    非酸化性の雰囲気中で、前記ダイヤモンド層に磁場を印加し、１３００℃以下の温度で第１の熱処理を行うダイヤモンド基板の製造方法。
  11. 前記第１の熱処理を１１５０℃以上の温度で行う請求項１０記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  12. 前記第１の熱処理の後に、前記ダイヤモンド層の上に酸化シリコン層を形成し、
    窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で第２の熱処理を行う請求項１０又は請求項１１記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  13. 前記第２の熱処理の際に、前記ダイヤモンド層に磁場を印加し、
    前記第２の熱処理を１１５０℃以上の温度で行う請求項１２記載のダイヤモンド基板の製造方法。
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