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JP7636737B2 - How diamonds are made - Google Patents
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Description

本発明は、結晶構造中に窒素-空孔中心を含んだダイヤモンドの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing diamond that contains nitrogen-vacancy centers in its crystal structure.

特許文献1には、窒素空格子点欠陥(窒素-空孔中心、以下NV中心とも称する)を有する単結晶CVDダイヤモンド構成要素が記載されている。このNV中心(Nitrogen Vacancy center)は、ダイヤモンドの結晶格子において、炭素空格子点(炭素原子が抜けた位置)と、それに隣接する置換窒素原子(炭素原子の位置に置き換わって存在する窒素原子)との対からなるものである。 Patent Document 1 describes a single crystal CVD diamond component having a nitrogen vacancy defect (nitrogen-vacancy center, hereafter also referred to as NV center). This NV center (Nitrogen Vacancy center) consists of a pair of a carbon vacancy (a position where a carbon atom is missing) and an adjacent substitutional nitrogen atom (a nitrogen atom that exists in place of a carbon atom) in the diamond crystal lattice.

特許文献1に記載されている通り、負に帯電したNV中心(NV)は、様々な望ましい特徴を有する。例えば、NVの電子スピン状態は非極低温(例えば約300Kの室温)であっても特定の電子スピン状態に配置することができる。つまり、NV中心の量子状態は外部から人為的に変更が可能である。 As described in Patent Document 1, the negatively charged NV center (NV ) has various desirable characteristics. For example, the electron spin state of NV can be arranged in a specific electron spin state even at non-cryogenic temperatures (e.g., room temperature of about 300 K). In other words, the quantum state of the NV center can be artificially changed from the outside.

また、NVの電子構造は放出性および非放出性電子スピン状態を含んでおり、光子を通して欠陥の電子スピン状態を読み取ることが可能になっている。つまり、NV中心の量子状態は外部から読み取ることも可能である。量子状態の人為的な変更および読み取りが可能であることから、NV中心は量子状態の書き込み/読み出しが可能な量子ビットとして使用することができる。 In addition, the electronic structure of NV- contains emissive and non-emissive electron spin states, making it possible to read the electron spin state of the defect through photons. In other words, the quantum state of the NV center can also be read from the outside. Since the quantum state can be artificially changed and read, the NV center can be used as a quantum bit whose quantum state can be written/read.

さらにNVの電子スピン状態は極めて長いコヒーレンス時間T(横緩和時間、スピンコヒーレンス時間、デコヒーレンス時間とも呼ばれる)を示すため、上述の量子状態の書き込み/読み出しが安定して行える。そのため、NV中心は様々な用途に適用できることが提唱されている。 Furthermore, the electron spin state of NV - has an extremely long coherence time T 2 (also called the transverse relaxation time, spin coherence time, or decoherence time), which allows stable writing and reading of the quantum state. For this reason, it has been proposed that the NV center can be used for a variety of purposes.

例えばNV中心を含んだダイヤモンドは、上述の量子ビットとしての用途を応用して、固体量子情報処理における量子情報素子として利用できる。そのほか、磁力計や核磁気共鳴デバイス、磁気共鳴撮像デバイスなどの、測定装置やセンサ素子にも利用可能である。 For example, diamonds containing NV centers can be used as quantum information elements in solid-state quantum information processing by applying the above-mentioned use as quantum bits. They can also be used in measuring devices and sensor elements such as magnetometers, nuclear magnetic resonance devices, and magnetic resonance imaging devices.

特許文献1には、こうしたNV中心を形成する方法の例として、ダイヤモンド材料合成後に、窒素イオンを注入するという方法が挙げられている。これにより、ダイヤモンドの表面近傍にNV中心が提供される。 Patent Document 1 gives an example of a method for forming such NV centers, in which nitrogen ions are implanted after the synthesis of the diamond material. This provides NV centers near the surface of the diamond.

特開2016-539900号公報JP 2016-539900 A

特許文献1には、NV中心を、低表面粗さを有し低表面損傷の成長状態の表面近くに位置付けることで、長いコヒーレンス時間を持つNV中心が提供されることが開示されている。しかし具体例としては、低い粗さの低損傷成長状態の表面への注入により形成されたNV中心に関するTは65.1μs程度であることが特許文献1に記載されている。これは研磨表面への注入により形成されたNV中心の、僅か16.6μs程度のTよりは長いものの、量子情報素子などに使用するのに好適とまでは言えない。このように、実際には長いTを得ることは困難であった。 Patent Literature 1 discloses that NV centers with long coherence times can be provided by positioning the NV centers near a surface with low surface roughness and low surface damage in a growth state. However, as a specific example, Patent Literature 1 discloses that the T2 for NV centers formed by implantation into a surface with low roughness and low damage in a growth state is about 65.1 μs. Although this is longer than the T2 of only about 16.6 μs for NV centers formed by implantation into a polished surface, it cannot be said that it is suitable for use in quantum information devices, etc. Thus, in practice, it has been difficult to obtain a long T2 .

本発明はこうした問題点に鑑み、イオン注入によってダイヤモンドの結晶構造中に含ませられるNV中心(窒素-空孔中心)のTが向上するダイヤモンドの製造方法を提供すること課題とする。 In view of these problems , an object of the present invention is to provide a method for producing diamond that improves the T2 of NV centers (nitrogen-vacancy centers) that are incorporated into the crystal structure of diamond by ion implantation .

上記課題を解決するため、本発明に係る実施形態の一例としてのダイヤモンドの製造方法は、化学気相成長法によってダイヤモンドを製造する際にn型にリンドープしてリンドープn型ダイヤモンドを製造した後、前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行って、前記リンドープn型ダイヤモンドの結晶構造中に窒素-空孔中心を含ませて、窒素原子の濃度に対する窒素-空孔中心の濃度が5%以上となるようにし、化学気相成長法により前記リンドープn型ダイヤモンドを製造する際のリンのドープを、前記リンドープn型ダイヤモンドに含まれるリン濃度が1×10 15 cm -3 以上かつ1×10 18 cm -3 以下となるように行うものである。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing diamond as one example of an embodiment of the present invention involves doping phosphorus to n-type when manufacturing diamond by chemical vapor deposition to produce phosphorus-doped n-type diamond, then implanting nitrogen ions into the phosphorus-doped n-type diamond to include nitrogen-vacancy centers in the crystal structure of the phosphorus-doped n-type diamond so that the concentration of nitrogen-vacancy centers relative to the concentration of nitrogen atoms is 5% or more , and doping phosphorus when manufacturing the phosphorus-doped n-type diamond by chemical vapor deposition is performed so that the phosphorus concentration contained in the phosphorus-doped n-type diamond is 1×10 15 cm -3 or more and 1×10 18 cm -3 or less .

またこのダイヤモンドの製造方法において、前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行う際に、窒素イオンとして15Nのイオンを使用することが好ましい。 In this method for producing diamond, when nitrogen ions are implanted into the phosphorus-doped n-type diamond, it is preferable to use 15 N ions as the nitrogen ions.

またこのダイヤモンドの製造方法において、前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行う際に、前記リンドープn型ダイヤモンドの結晶表面から1μm以下の深さに窒素イオンが注入されるように、窒素イオンの加速エネルギーを調節することが好ましい。 In addition, in this method for manufacturing diamond, when nitrogen ions are implanted into the phosphorus-doped n-type diamond, it is preferable to adjust the acceleration energy of the nitrogen ions so that the nitrogen ions are implanted to a depth of 1 μm or less from the crystal surface of the phosphorus-doped n-type diamond.

本発明のダイヤモンドの製造方法によって製造されるダイヤモンドは、室温下であっても従来よりも長いコヒーレンス時間Tを示す。こうしたダイヤモンドは、動作適正温度範囲や感度などの面でセンサ素子として優れた特性を示し、また、量子情報素子、測定装置などに使用するのにも好適である。
Diamonds produced by the method for producing diamond of the present invention exhibit a longer coherence time T2 than conventional diamonds even at room temperature. Such diamonds exhibit excellent properties as sensor elements in terms of optimum operating temperature range and sensitivity, and are also suitable for use in quantum information elements, measuring devices, and the like.

本発明の実施形態の一例としてのダイヤモンドの製造方法をなす各工程の流れを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the flow of each step in a method for producing diamond as one embodiment of the present invention. 図1に示すダイヤモンドの製造方法によって製造されたリンドープn型ダイヤモンドにおける窒素原子の濃度分布を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the concentration distribution of nitrogen atoms in a phosphorus-doped n-type diamond produced by the diamond production method shown in FIG. 1 . 図1に示すダイヤモンドの製造方法によって製造されたリンドープn型ダイヤモンドのT値測定結果を示すグラフ。2 is a graph showing the T2 value measurement results of phosphorus-doped n-type diamond produced by the diamond production method shown in FIG. 1 . 図1に示すダイヤモンドの製造方法によって製造されたリンドープn型ダイヤモンドのT値と、従来のノンドープダイヤモンドのT値とを複数例比較して示す表。2 is a table showing a comparison of the T2 values of phosphorus-doped n-type diamonds produced by the diamond production method shown in FIG. 1 with the T2 values of conventional non-doped diamonds.

本発明の実施形態の一例としてのダイヤモンドの製造方法をなす各工程の流れを図1に示す。図1に示す通り、本実施形態の製造方法はリンドープCVD工程S1、イオン注入工程S2、熱処理工程S3を含む。 Figure 1 shows the flow of each process in a diamond manufacturing method as an example of an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the manufacturing method of this embodiment includes a phosphorus-doped CVD process S1, an ion implantation process S2, and a heat treatment process S3.

リンドープCVD工程S1においては、n型にリンドープされたダイヤモンド、すなわちリンドープn型ダイヤモンドが製造される。本実施形態のリンドープCVD工程S1においては、炭素化合物(例えばメタン)およびリン化合物(例えばホスフィン)を含む雰囲気下で、基板となるダイヤモンド結晶基板の表面上へダイヤモンド膜を堆積させる化学気相成長(CVD)法が行われる。ここで、n型にリンドープされるというのは、ダイヤモンドがn型半導体として機能するのに十分な程度に、結晶構造中にリン原子が分布した状態(キャリアとしての電子の移動度が十分な状態)とされるということである。 In the phosphorus-doped CVD process S1, diamond doped with phosphorus to the n-type, that is, phosphorus-doped n-type diamond, is produced. In the phosphorus-doped CVD process S1 of this embodiment, a chemical vapor deposition (CVD) method is performed to deposit a diamond film on the surface of a diamond crystal substrate, which serves as a substrate, in an atmosphere containing a carbon compound (e.g., methane) and a phosphorus compound (e.g., phosphine). Here, being phosphorus-doped to the n-type means that the diamond is in a state in which phosphorus atoms are distributed in the crystal structure to an extent sufficient for the diamond to function as an n-type semiconductor (a state in which the mobility of electrons as carriers is sufficient).

上述のリンドープCVD工程S1によって製造されたリンドープn型ダイヤモンドには、CVD法の条件(リン化合物の濃度など)に応じて、所定濃度のリンが含まれることとなる。本実施形態においては、リンドープn型ダイヤモンドに含まれるリン濃度が1×1015cm-3以上かつ1×1018cm-3以下となるようにリンドープCVD工程S1が行われるものとする。 The phosphorus-doped n-type diamond produced by the phosphorus-doped CVD process S1 described above contains a predetermined concentration of phosphorus according to the conditions of CVD method (concentration of phosphorus compound, etc.).In this embodiment, the phosphorus-doped CVD process S1 is carried out so that the phosphorus concentration contained in the phosphorus-doped n-type diamond is 1×10 15 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less.

そして、リンドープCVD工程S1によって製造されたリンドープn型ダイヤモンドに対して、イオン注入工程S2が行われる。本実施形態のイオン注入工程S2においては、15Nのイオンに加速エネルギーを与えてリンドープn型ダイヤモンドに打ち込むことにより、リンドープn型ダイヤモンドに窒素原子を取り込ませる。ここで、加速エネルギーを調節して、リンドープn型ダイヤモンドの結晶表面から1μm以下の深さに窒素イオンが注入されるようにすることが好ましい。より好ましくは、窒素原子が結晶表面から30nm以下の深さに1.0×1011個/cm以上かつ1.0×1018個/cm以下の濃度で分布することになるよう、窒素イオンの加速エネルギーが調節されるとよい。 Then, the phosphorus-doped n-type diamond produced by the phosphorus-doped CVD process S1 is subjected to ion implantation process S2. In the ion implantation process S2 of this embodiment, the 15N ions are given acceleration energy and implanted into the phosphorus-doped n-type diamond, so that nitrogen atoms are incorporated into the phosphorus-doped n-type diamond. Here, it is preferable to adjust the acceleration energy so that nitrogen ions are implanted to a depth of 1 μm or less from the crystal surface of the phosphorus-doped n-type diamond. More preferably, the acceleration energy of the nitrogen ions is adjusted so that the nitrogen atoms are distributed at a concentration of 1.0×10 11 /cm 3 or more and 1.0×10 18 /cm 3 or less at a depth of 30 nm or less from the crystal surface.

続いて、イオン注入工程S2によって窒素原子が取り込まれたリンドープn型ダイヤモンドに対して、取り込まれた窒素原子がダイヤモンドの結晶格子の格子点に収まるように、熱処理工程S3が行われる。本実施形態の熱処理工程S3においては、アニール処理が行われる。これにより、リンドープn型ダイヤモンドの結晶構造中に窒素-空孔中心(NV中心)が含まれることとなる。 Then, the phosphorus-doped n-type diamond into which the nitrogen atoms have been incorporated by the ion implantation process S2 is subjected to a heat treatment process S3 so that the incorporated nitrogen atoms are accommodated at the lattice points of the diamond crystal lattice. In the heat treatment process S3 of this embodiment, an annealing process is performed. As a result, nitrogen-vacancy centers (NV centers) are included in the crystal structure of the phosphorus-doped n-type diamond.

以上のようにして製造されたダイヤモンドは、n型にリンドープされており、かつ結晶構造中に窒素-空孔中心(NV中心)が含まれるダイヤモンドであって、リン原子が窒素原子よりも広い範囲に分布していることになる。具体的には、リン原子はダイヤモンドの全体にわたって均等に分布しており、窒素原子はリン原子と比較して局所的に分布している。本実施形態においては、窒素原子は結晶表面から1μm以下の深さに分布することになる。ここで、イオン注入であれば、窒素原子の濃度に対するNV中心の濃度が5%以上となるように、ダイヤモンド結晶構造中にNV中心を含ませることが可能である。 The diamond produced in this manner is n-type phosphorus-doped and contains nitrogen-vacancy centers (NV centers) in the crystal structure, with the phosphorus atoms distributed over a wider range than the nitrogen atoms. Specifically, the phosphorus atoms are distributed evenly throughout the diamond, while the nitrogen atoms are distributed more locally than the phosphorus atoms. In this embodiment, the nitrogen atoms are distributed to a depth of 1 μm or less from the crystal surface. Here, with ion implantation, it is possible to include NV centers in the diamond crystal structure so that the concentration of NV centers relative to the concentration of nitrogen atoms is 5% or more.

このようにして製造されたダイヤモンドに含まれるNV中心は、リンドープされていない(ノンドープの)ダイヤモンドへ窒素イオンが注入されて形成されるNV中心と比べて、室温下であってもより長いTを示す。また、イオン注入によって取り込まれた窒素原子によるNV中心は、ダイヤモンドの表面近く(nmオーダーの範囲)に位置することとなるので、外部環境(例えば磁場)の変化に対して高感度で反応する。こうした表面付近のNV中心のTが長いことにより、本実施形態によって製造されるダイヤモンドは、従来よりも測定装置やセンサ素子に用いるのに好適である。さらに、結晶表面近くにおいて窒素原子の濃度に対するNV中心の濃度が5%以上となっていれば、一度の検出において多くのNV中心が反応することとなり、センサ素子や測定装置としての感度がより高いものとなる。これに対し、CVD法のみによってダイヤモンド結晶構造中にNV中心を含ませる場合には、窒素原子の濃度に対するNV中心の濃度は3%程度にしかならない。したがって、リンドープn型ダイヤモンドに対してイオン注入によりNV中心を結晶構造中に含ませることで、CVD法のみを行う場合よりも、センサ素子や測定装置に使用するのに好適なダイヤモンドを得ることができる。 The NV center contained in the diamond thus manufactured shows a longer T2 even at room temperature compared with the NV center formed by implanting nitrogen ions into a diamond not doped with phosphorus (non-doped). In addition, the NV center formed by nitrogen atoms incorporated by ion implantation is located near the surface of the diamond (within the range of nm order), so it reacts with high sensitivity to changes in the external environment (e.g., magnetic field). Since the T2 of the NV center near the surface is long, the diamond manufactured by this embodiment is more suitable for use in measuring devices and sensor elements than conventional ones. Furthermore, if the concentration of NV centers relative to the concentration of nitrogen atoms near the crystal surface is 5% or more, many NV centers will react in one detection, and the sensitivity of the sensor element or measuring device will be higher. In contrast, when the NV center is included in the diamond crystal structure only by the CVD method, the concentration of NV centers relative to the concentration of nitrogen atoms is only about 3%. Therefore, by incorporating NV centers into the crystal structure of phosphorus-doped n-type diamond by ion implantation, it is possible to obtain diamond that is more suitable for use in sensor elements and measuring devices than when only CVD is performed.

以下、本発明に係るダイヤモンドの製造方法の一例についてより具体的に説明する。まず、IIa型で密度3.513g/cmのダイヤモンド基板の(111)面上に、化学気相成長法(CVD法)によってリンドープしつつダイヤモンド膜をホモエピタキシャル成長させる(リンドープCVD工程S1)。 An example of a method for producing diamond according to the present invention will now be described in more detail. First, a diamond film is homoepitaxially grown on the (111) face of a diamond substrate of type IIa and having a density of 3.513 g/cm3 while doping with phosphorus by chemical vapor deposition (CVD) (phosphorus-doped CVD step S1).

リンドープCVD工程S1においては、炭素化合物(ここではメタンCH)およびリン化合物(ここではホスフィンPH)を含む雰囲気下でダイヤモンド膜の成長が行われることで、リンドープn型ダイヤモンドが製造される。なお、製造されるリンドープn型ダイヤモンドがn型半導体として機能する程度にリン原子が分布するように、リン化合物は炭素化合物に対して少量とされる。ここでは、リンドープn型ダイヤモンドに含まれるリン濃度が5×1016cm-3の濃度(1×1015cm-3以上かつ1×1018cm-3以下の一例)となるようにリンドープCVD工程S1が行われる。 In the phosphorus-doped CVD process S1, diamond film is grown under an atmosphere containing carbon compound (here, methane CH 3 ) and phosphorus compound (here, phosphine PH 3 ), thereby producing phosphorus-doped n-type diamond.The phosphorus compound is made small in amount relative to the carbon compound, so that phosphorus atoms are distributed to such an extent that the phosphorus-doped n-type diamond produced functions as an n-type semiconductor.Here, the phosphorus-doped CVD process S1 is carried out so that the phosphorus concentration contained in the phosphorus-doped n-type diamond is 5×10 16 cm −3 (one example of 1×10 15 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less).

ダイヤモンド基板上のリンドープn型ダイヤモンドの膜が、十分な厚み(ここでは700nmとする)まで成長したら、リンドープCVD工程S1を終了し、イオン注入工程S2を開始する。イオン注入工程S2においては、リンドープn型ダイヤモンドにおける窒素原子が図2(縦軸は対数スケール)に示すような濃度分布となるように、窒素イオンの注入エネルギーが調節される。このときの注入エネルギーの調節により、最終的に得られるダイヤモンド結晶構造中において、窒素原子の濃度に対するNV中心の濃度が5%以上となるようにされる。 When the phosphorus-doped n-type diamond film on the diamond substrate has grown to a sufficient thickness (700 nm in this example), the phosphorus-doped CVD process S1 is terminated and the ion implantation process S2 is started. In the ion implantation process S2, the implantation energy of the nitrogen ions is adjusted so that the nitrogen atoms in the phosphorus-doped n-type diamond have a concentration distribution as shown in Figure 2 (the vertical axis is a logarithmic scale). By adjusting the implantation energy at this time, the concentration of NV centers relative to the concentration of nitrogen atoms in the final diamond crystal structure is set to 5% or more.

具体的には15Nイオンを使用し、これを注入エネルギー10keV、注入量1.0×10個/cmで注入する。その結果、図2に示すように、結晶表面から1nm以上かつ30nm以下の深さに1.0×1011個/cm(1E+11atoms/cm)以上かつ1.0×1015個/cm以下の濃度(1.0×1011個/cm以上かつ1.0×1018個/cm以下の範囲内)で15N原子が分布するようになる。なお、1nm以上かつ20nm以下の深さに限定すると、15N原子の濃度は1.0×1013個/cm以上かつ1.0×1015個/cm以下である。 Specifically, 15N ions are used and implanted with an implantation energy of 10 keV and an implantation dose of 1.0× 109 atoms/ cm2 . As a result, as shown in FIG. 2, 15N atoms are distributed at a concentration of 1.0× 1011 atoms/ cm3 (1E+11 atoms/ cm3 ) to 1.0× 1015 atoms/ cm3 (within a range of 1.0× 1011 atoms/ cm3 to 1.0× 1018 atoms/ cm3 ) at a depth of 1 nm to 30 nm from the crystal surface. Note that, if limited to a depth of 1 nm to 20 nm, the concentration of 15N atoms is 1.0× 1013 atoms/ cm3 to 1.0× 1015 atoms/ cm3 .

15Nイオンを使用する理由は、天然存在比の小さい15N原子を人為的にダイヤモンドに取り込ませることで、最終的に結晶構造中に含まれることとなる窒素-空孔中心(NV中心)が自然発生したものか、イオン注入により人為的に作られたものかが区別できるようにするためである。NV中心が天然存在比の大きい14N原子によるものか、人為的に注入される15N原子によるものかは、NV中心の光学的/電磁気学的性質の違いにより判別可能である。またNV中心は1つ1つを区別して測定することが可能であるため、人為的に作られたNV中心と自然発生的に生じたNV中心とを比較して測定することも可能となる。 The reason for using 15N ions is to artificially incorporate 15N atoms, which have a low natural abundance, into diamond, so that it is possible to distinguish whether the nitrogen-vacancy center (NV center) that will ultimately be included in the crystal structure is naturally generated or artificially generated by ion implantation. Whether the NV center is due to 14N atoms, which have a high natural abundance, or due to artificially implanted 15N atoms can be distinguished by the difference in optical/electromagnetic properties of the NV center. In addition, since it is possible to measure each NV center separately, it is also possible to compare and measure artificially generated NV centers and naturally generated NV centers.

15Nイオンが十分に注入されたらイオン注入工程S2を終了し、熱処理工程S3を開始する。典型的には600℃以上でのアニールを行う。 When the 15N ions have been sufficiently implanted, the ion implantation step S2 is terminated and the heat treatment step S3 is started. Typically, annealing is performed at 600° C. or higher.

以上のリンドープCVD工程S1、イオン注入工程S2、熱処理工程S3により、NV中心が結晶構造中に含まれたリンドープn型ダイヤモンドが製造される。このダイヤモンド(に含まれるNV中心の1つ)について、T値を調べるためにハーンエコー(Hahn Echo)法によりエコー強度の測定を行ったところ、図3に示す結果が得られた。なお図示の簡略化のため、実測定値のプロットは省略し、実測定値に基づいて求められたフィッテング曲線のみを示す。 By the phosphorus-doped CVD step S1, the ion implantation step S2, and the heat treatment step S3, phosphorus-doped n-type diamond containing NV centers in the crystal structure is manufactured. When the echo intensity of this diamond (one of the NV centers contained in it) was measured by the Hahn Echo method to check the T2 value, the results shown in Figure 3 were obtained. For the sake of simplicity, the plot of the actual measured values is omitted, and only the fitting curve obtained based on the actual measured values is shown.

本実施例で製造されるダイヤモンドには13C原子が含まれるため、図3に示されるエコー強度には、13C核スピンのラビ振動による影響が表れている。具体的にはエコー強度が減衰振動するものとして測定されているが、実質的なエコー強度の減衰は振動のピーク値を通る曲線(図3中の二点鎖線によって示される指数関数)として表せる。この曲線から求められるTの値は、図3に示す通り約476.74μsである。 Since the diamond produced in this embodiment contains 13 C atoms, the echo intensity shown in Figure 3 shows the effect of the Rabi oscillation of 13 C nuclear spin. Specifically, the echo intensity is measured as a damped oscillation, but the actual damping of the echo intensity can be expressed as a curve (exponential function shown by the two-dot chain line in Figure 3) that passes through the peak value of the oscillation. The value of T2 obtained from this curve is about 476.74 μs, as shown in Figure 3.

リンドープを行ったn型ダイヤモンドに窒素イオンを注入した場合のT値と、リンドープを行わない(ノンドープの)ダイヤモンドに窒素イオンを注入した場合のT値とを比較した表を図4に示す。これはリンドープn型ダイヤモンド試料とノンドープダイヤモンド試料とに対して、それぞれの試料中のNV中心のうち5つについてTを調べた結果である。ここで、説明の簡略化のため、表中には測定結果に基づく推定量のみを示し、推定量の標準偏差(推定誤差)の図示は省略する。なお、図3は図4の測定対象「3」に対する測定結果である。 Figure 4 shows a table comparing the T2 value when nitrogen ions are implanted into phosphorus-doped n-type diamond and the T2 value when nitrogen ions are implanted into non-phosphorus-doped (non-doped) diamond. This is the result of investigating T2 for five of the NV centers in each sample for phosphorus-doped n-type diamond sample and non-doped diamond sample. Here, for the sake of simplicity, only the estimated amount based on the measurement result is shown in the table, and the standard deviation (estimation error) of the estimated amount is omitted. Note that Figure 3 shows the measurement result for the measurement object "3" in Figure 4.

図4に示す通り、ノンドープダイヤモンドではいずれの測定対象(NV中心)についてもT値が200μs未満である。一方、リンドープn型ダイヤモンドではいずれの測定対象(NV中心)についてもT値が400μs以上であった。このように、本実施例の製造方法によって製造されたダイヤモンドは、ノンドープダイヤモンドに比べて飛躍的に向上したT値を示す。なおこれらの測定はいずれも室温(約300K)で行われた。 As shown in Fig. 4, the T2 value of non-doped diamond is less than 200μs for all measurement objects (NV center). On the other hand, the T2 value of phosphorus-doped n-type diamond is 400μs or more for all measurement objects (NV center). Thus, the diamond manufactured by the manufacturing method of this embodiment shows a T2 value that is dramatically improved compared to non-doped diamond. All of these measurements were performed at room temperature (about 300K).

このように長いTを示すダイヤモンドは量子状態が安定していると言え、室温下で用いる量子情報素子として好適である。また、NV中心の磁場感度(検出下限や分解能)はTの二乗根に反比例(T -1/2に比例)するため、Tの長いダイヤモンドほど磁場センサ素子として用いるのに好適である。 Diamonds with such a long T2 are said to have a stable quantum state and are suitable for use as quantum information devices at room temperature. In addition, the magnetic field sensitivity (detection limit and resolution) of the NV center is inversely proportional to the square root of T2 (proportional to T2-1 /2 ), so diamonds with a longer T2 are more suitable for use as magnetic field sensor devices.

また本実施例の製造方法によって製造されたダイヤモンドはイオン注入によって窒素イオンが結晶表面近くに注入されたため、NV中心が結晶表面近くに存在している。そのため、これらのNV中心は結晶外部での環境変化(例えば磁場変化)に対する感度が高くなっており、センサ素子や測定装置に用いるのに好適である。またセンサ素子全体としての磁場感度は、一度の検出において反応するNV中心の個数の二乗根に反比例する。そのため、窒素原子の濃度に対しNV中心の濃度が5%以上の高濃度となっているダイヤモンドは、一度の検出において反応するNV中心の個数が多くなるので、センサ素子や測定装置に用いるのにより好適である。 In addition, the diamond produced by the manufacturing method of this embodiment has nitrogen ions implanted near the crystal surface by ion implantation, so the NV centers are present near the crystal surface. Therefore, these NV centers have high sensitivity to environmental changes (e.g. magnetic field changes) outside the crystal, making them suitable for use in sensor elements and measuring devices. Furthermore, the magnetic field sensitivity of the entire sensor element is inversely proportional to the square root of the number of NV centers that react in one detection. Therefore, diamonds with a high concentration of NV centers relative to the concentration of nitrogen atoms of 5% or more have a large number of NV centers that react in one detection, making them more suitable for use in sensor elements and measuring devices.

なお、本実施例においては天然比の低い15N原子をイオン注入によりダイヤモンドの結晶表面近くに取り込ませたため、結晶表面近くで15N原子が局所的に分布している。このような分布を持つダイヤモンドは人為的に製造しないと発生しないため、結晶表面近くでの15N原子の分布を調べることで、本実施例の製造方法によって製造されたダイヤモンドであるかどうかを確かめることができる。具体的には、15N原子が結晶表面から1nm以上かつ30nm以下の深さに1.0×1011個/cm以上かつ1.0×1015個/cm以下の濃度で分布しており、しかもn型にリンドープされているダイヤモンドは、本実施例の製造方法によって製造されたダイヤモンドであると考えられる。また、15N原子に限らず14N原子であっても、窒素原子の濃度に対しNV中心の濃度が5%以上となっているリンドープn型ダイヤモンドは、CVD法によるリンドープの後にイオン注入が行われたものと考えられる。 In this embodiment, 15N atoms, which have a low natural ratio, are incorporated near the crystal surface of diamond by ion implantation, so that 15N atoms are distributed locally near the crystal surface. Since diamonds with such a distribution do not occur unless they are artificially manufactured, it is possible to confirm whether the diamond is manufactured by the manufacturing method of this embodiment by examining the distribution of 15N atoms near the crystal surface. Specifically, diamonds in which 15N atoms are distributed at a concentration of 1.0× 1011 atoms/cm3 or more and 1.0× 1015 atoms/ cm3 or less at a depth of 1 nm or more and 30 nm or less from the crystal surface and are doped with phosphorus in n-type are considered to be diamonds manufactured by the manufacturing method of this embodiment. In addition, phosphorus-doped n-type diamonds in which the concentration of NV center is 5% or more with respect to the concentration of nitrogen atoms, not limited to 15N atoms, even if they are 14N atoms, are considered to have been doped with phosphorus by CVD and then ion implanted.

また、イオン注入によってダイヤモンド結晶構造中に組み込まれるNV中心は、その窒素原子と空孔とを結ぶ軸(窒素-空孔軸、NV軸)が特定の方位面の垂直方向に配向しない(向きが特定の方向に揃わない)。詳しくは、NV中心の一つ一つが、NV軸がとり得る4つの方向のうち、ランダムにいずれかの方向を取る。つまりNV軸がおよそ25%ずつの確率で4つの方向に向く。これに対し、CVD法によって結晶構造中に組み込まれるNV中心のNV軸は、特定の方向に配向する傾向がある。具体的には、ダイヤモンドの(111)面上へのホモエピタキシャル成長において結晶構造中に含まれたNV中心のNV軸は100%近くの確率で(111)方向に向くことや、(110)面上へのホモエピタキシャル成長ではNV軸がおよそ50%ずつの確率で4方向中の2方向にのみ向くことが知られている。したがって、NV軸が特定の方向に配向していない(およそ25%ずつの確率で4つの方向に向いている)NV中心を有するダイヤモンドは、Nイオン注入が行われたダイヤモンドであると考えられる。 In addition, the NV center incorporated into the diamond crystal structure by ion implantation does not have the axis connecting the nitrogen atom and the vacancy (nitrogen-vacancy axis, NV axis) oriented perpendicular to a specific orientation plane (it does not orient in a specific direction). More specifically, each NV center randomly takes one of the four possible directions for the NV axis. In other words, the NV axis faces one of the four directions with a probability of about 25% each. In contrast, the NV axis of the NV center incorporated into the crystal structure by the CVD method tends to be oriented in a specific direction. Specifically, it is known that in homoepitaxial growth on the (111) face of diamond, the NV axis of the NV center included in the crystal structure faces the (111) direction with a probability of nearly 100%, and in homoepitaxial growth on the (110) face, the NV axis faces only two of the four directions with a probability of about 50% each. Therefore, diamonds with NV centers whose NV axes are not oriented in a specific direction (pointing in four directions with a probability of approximately 25% each) are considered to be N-ion implanted diamonds.

また、イオン注入によってNV中心をダイヤモンド結晶構造中に組み込む場合、ダイヤモンドの結晶構造中に水素をほとんど取り込ませないようにすることができる。具体的には、二次イオン質量分析(SIMS)でそのダイヤモンドを分析した場合に、バックグラウンドレベル以下(例えば2×1017cm-3以下)しか水素が確認されない程度にまで残存水素の量を抑えることができる。これに対し、CVD法でNV中心をダイヤモンド結晶構造中に組み込む場合には、結晶構造中に水素が入り込んでしまうため、SIMSにおけるバックグラウンドレベルよりも多くの残存水素がダイヤモンド内に含まれることとなる。そのため、NV中心を有しており、かつ結晶構造中に含まれる残存水素の量が、二次イオン質量分析におけるバックグラウンドレベル以下となっているダイヤモンドは、Nイオン注入が行われたダイヤモンドであると考えられる。 In addition, when NV center is incorporated into diamond crystal structure by ion implantation, it is possible to make hydrogen hardly be incorporated into diamond crystal structure.Specifically, when the diamond is analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS), the amount of remaining hydrogen can be suppressed to a degree that hydrogen is only confirmed below background level (for example, below 2×10 17 cm −3 ).In contrast, when NV center is incorporated into diamond crystal structure by CVD method, hydrogen is introduced into the crystal structure, so that more remaining hydrogen than the background level in SIMS is contained in diamond.Therefore, diamond that has NV center and the amount of remaining hydrogen contained in the crystal structure is below the background level in secondary ion mass spectrometry is considered to be diamond that has been implanted with N ions.

ところで、リンは電子スピンを有するため、従来はリンドープを行うことでダイヤモンド結晶内のリン原子がNV中心に対する磁気ノイズとなり、Tを短縮してしまうと考えられていた。しかし、上述の通り本発明により製造されるリンドープn型ダイヤモンドのTは従来よりも向上する。これはリン原子がむしろ磁気ノイズを低減する役割を果たしているものと考えられる。 By the way, since phosphorus has an electronic spin, it was previously believed that phosphorus atoms in diamond crystals become magnetic noise for NV centers by phosphorus doping, shortening T2 . However, as described above, the T2 of the phosphorus-doped n-type diamond produced by the present invention is improved compared to the conventional one. This is thought to be because phosphorus atoms play a role in reducing magnetic noise.

磁気ノイズ源となるものの一つに、複数の空孔からなる「複空孔欠陥」がある。この複空孔欠陥が多数存在してしまうと、磁気ノイズ源が多くなり、ひいてはTを短縮してしまう。ここで、リンドープされたn型ダイヤモンドにおいては、単独の空孔、すなわち単空孔が(負の)電荷を帯びることになる。単空孔が電荷を帯びていることにより、単空孔同士はクーロン力により反発しあうことになって、複数の空孔が寄り集まることが起きにくくなる。そのため、「複空孔欠陥」の生成が抑制され、結果的に磁気ノイズ源が低減されるものと考えられる。 One of the magnetic noise sources is a "multiple vacancy defect" consisting of multiple vacancies. If a large number of these multi-vacancy defects exist, the magnetic noise source increases, and T2 is shortened. Here, in phosphorus-doped n-type diamond, a single vacancy, that is, a single vacancy, carries a (negative) charge. Since the single vacancy carries a charge, the single vacancies repel each other due to Coulomb force, and it is difficult for multiple vacancies to gather together. Therefore, it is considered that the generation of "multiple vacancy defects" is suppressed, and as a result, the magnetic noise source is reduced.

イオン注入工程S2の終了時点では、リンドープn型ダイヤモンドの中には炭素原子のほかに、リン原子、窒素原子、そして空孔が含まれる。しかし、単空孔は600℃でアニールアウトするため、熱処理工程S3として例えば900℃のアニールを行うと、最終的に単空孔はリンドープn型ダイヤモンドの中には残らなくなる。その一方で窒素-空孔中心(NV中心)による複合欠陥は1500℃でも安定のため、リンドープn型ダイヤモンドの結晶構造中では最終的に磁気ノイズ源が低減され、NV中心が残ることとなる。 At the end of the ion implantation step S2, the phosphorus-doped n-type diamond contains phosphorus atoms, nitrogen atoms, and vacancies in addition to carbon atoms. However, since monovacancies are annealed out at 600°C, if annealing is performed at, for example, 900°C as the heat treatment step S3, ultimately no monovacancies will remain in the phosphorus-doped n-type diamond. On the other hand, complex defects due to nitrogen-vacancy centers (NV centers) are stable even at 1500°C, so in the crystal structure of the phosphorus-doped n-type diamond, the magnetic noise source is ultimately reduced and the NV centers remain.

なお、上述の実施例においてはダイヤモンドの製造方法をリンドープCVD工程S1、イオン注入工程S2、熱処理工程S3からなるものとしたが、これ以外の工程が含まれてもよい。例えば熱処理工程S3においてダイヤモンドの一部が黒鉛化してしまうことがあるので、酸による清浄化および酸素中でのアニールによる黒鉛除去の工程が行われてもよい。 In the above embodiment, the method for manufacturing diamond is comprised of phosphorus-doped CVD step S1, ion implantation step S2, and heat treatment step S3, but other steps may also be included. For example, since part of the diamond may be graphitized in the heat treatment step S3, a step of cleaning with acid and removing graphite by annealing in oxygen may be performed.

また上述の実施例においてはダイヤモンド基板をIIb型としたが、Ia型、Ib型、IIb型であってもよい。またダイヤモンド膜を成長させる面も、(111)面上に限られるものではなく、例えば(001)面であってもよい。 In the above embodiment, the diamond substrate was type IIb, but it may be type Ia, type Ib, or type IIb. The surface on which the diamond film is grown is not limited to the (111) surface, but may be, for example, the (001) surface.

また上述の実施例においてはイオン注入工程S2において注入される窒素イオンを15Nイオンとしたが、これに限るものではなく、人為的に注入した窒素原子を他と区別する必要がないならば、14Nイオンが注入されてもよい。 In the above embodiment, the nitrogen ions implanted in the ion implantation step S2 are 15N ions, but this is not limited thereto, and if there is no need to distinguish the artificially implanted nitrogen atoms from others, 14N ions may be implanted.

S1 リンドープCVD工程
S2 イオン注入工程
S3 熱処理工程
S1 Phosphorus doped CVD process S2 Ion implantation process S3 Heat treatment process

Claims (3)

化学気相成長法によってダイヤモンドを製造する際にn型にリンドープしてリンドープn型ダイヤモンドを製造した後、
前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行って、前記リンドープn型ダイヤモンドの結晶構造中に窒素-空孔中心を含ませて、窒素原子の濃度に対する窒素-空孔中心の濃度が5%以上となるようにし、
化学気相成長法により前記リンドープn型ダイヤモンドを製造する際のリンのドープを、前記リンドープn型ダイヤモンドに含まれるリン濃度が1×10 15 cm -3 以上かつ1×10 18 cm -3 以下となるように行う、ダイヤモンドの製造方法。
When producing diamond by chemical vapor deposition, phosphorus is doped to n-type to produce phosphorus-doped n-type diamond,
implanting nitrogen ions into the phosphorus-doped n-type diamond to include nitrogen-vacancy centres in the crystal structure of the phosphorus-doped n-type diamond such that the concentration of nitrogen-vacancy centres relative to the concentration of nitrogen atoms is 5% or more ;
The method for producing diamond, wherein the phosphorus doping is carried out when producing the phosphorus-doped n-type diamond by chemical vapor deposition so that the phosphorus concentration contained in the phosphorus-doped n-type diamond is 1×10 15 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less .
前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行う際に、窒素イオンとして15Nのイオンを使用する、請求項に記載のダイヤモンドの製造方法。 2. The method for producing diamond according to claim 1 , wherein when nitrogen ions are implanted into the phosphorus-doped n-type diamond, 15N ions are used as the nitrogen ions. 前記リンドープn型ダイヤモンドに対して窒素イオンのイオン注入を行う際に、前記リンドープn型ダイヤモンドの結晶表面から1μm以下の深さに窒素イオンが注入されるように、窒素イオンの加速エネルギーを調節する、請求項1または請求項2に記載のダイヤモンドの製造方法。 3. The method for producing diamond according to claim 1 or 2, wherein when nitrogen ions are implanted into the phosphorus-doped n-type diamond, the acceleration energy of the nitrogen ions is adjusted so that the nitrogen ions are implanted to a depth of 1 μm or less from the crystal surface of the phosphorus-doped n-type diamond.
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