The charge-state control of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond is very important toward its applications because the NV centers undergo stochastic charge-state transitions between the negative charge state (NV) and the neutral charge state (NV0) of the NV center upon illumination. In this letter, engineering of the Fermi level by a nin diamond junction was demonstrated for the control of the charge state of the NV centers in the intrinsic (i) layer region. By changing the size (d) of the i-layer region between the phosphorus-doped n-type layer regions (nin) from 2 μm to 10 μm, we realized the gradual change in the NV charge-state population in the i-layer region from 60% to 80% under 532 nm excitation, which can be attributed to the band bending in the i-layer region. Also, we quantitatively simulated the changes in the Fermi level in the i-layer region depending on d with various concentrations of impurities in the i-layer region.

1.
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
F.
Rempp
,
H.
Fedder
,
P. R.
Hemmer
,
J.
Wrachtrup
, and
F.
Jelezko
,
Science
329
,
542
(
2010
).
2.
H.
Bernien
,
B.
Hensen
,
W.
Pfaff
,
G.
Koolstra
,
M. S.
Blok
,
L.
Robledo
,
T. H.
Taminiau
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
L.
Childress
, and
R.
Hanson
,
Nature
497
,
86
(
2013
).
3.
P.
Neumann
,
N.
Mizuochi
,
F.
Rempp
,
P.
Hemmer
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
V.
Jacques
,
T.
Gaebel
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
320
,
1326
(
2008
).
4.
J. R.
Maze
,
P. L.
Stanwix
,
J. S.
Hodges
,
S.
Hong
,
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Jiang
,
M. V. G.
Dutt
,
E.
Togan
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacoby
,
R. L.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
, “
Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond
,”
Nature
455
,
644
(
2008
).
5.
G.
Balasubramanian
,
P.
Neumann
,
D.
Twitchen
,
M.
Markham
,
R.
Kolesov
,
N.
Mizuochi
,
J.
Isoya
,
J.
Achard
,
J.
Beck
,
J.
Tissler
,
V.
Jacques
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
8
,
383
(
2009
).
6.
N.
Mizuochi
,
T.
Makino
,
H.
Kato
,
D.
Takeuchi
,
M.
Ogura
,
H.
Okushi
,
M.
Nothaft
,
P.
Neumann
,
A.
Gali
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
S.
Yamasaki
,
Nat. Photonics
6
,
299
(
2012
).
7.
R.
Igarashi
,
Y.
Yoshinari
,
H.
Yokota
,
T.
Sugi
,
F.
Sugihara
,
K.
Ikeda
,
H.
Sumiya
,
S.
Tsuji
,
I.
Mori
,
H.
Tochio
,
Y.
Harada
, and
M.
Shirakawa
,
Nano Lett.
12
,
5726
(
2012
).
8.
L. P.
McGuinness
,
Y.
Yan
,
A.
Stacey
,
D. A.
Simpson
,
L. T.
Hall
,
D.
Maclaurin
,
S.
Prawer
,
P.
Mulvaney
,
J.
Wrachtrup
,
F.
Caruso
,
R. E.
Scholten
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
358
(
2011
).
9.
K.
Iakoubovskii
,
G. J.
Adriaenssens
, and
M.
Nesladek
,
J. Phys. Condens. Matter
12
,
189
(
2000
).
10.
G.
Waldherr
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
P.
Neumann
,
A.
Gali
,
T.
Frauenheim
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
157601
(
2011
).
11.
N.
Aslam
,
G.
Waldherr
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
New J. Phys.
15
,
013064
(
2013
).
12.
L.
Rondin
,
G.
Dantelle
,
A.
Slablab
,
F.
Grosshans
,
F.
Treussart
,
P.
Bergonzo
,
S.
Perruchas
,
T.
Gacoin
,
M.
Chaigneau
,
H.-C.
Chang
,
V.
Jacques
, and
J.-F.
Roch
,
Phys. Rev. B
82
,
115449
(
2010
).
13.
K.-M. C.
Fu
,
C.
Santori
,
P. E.
Barclay
, and
R. G.
Beausoleil
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
121907
(
2010
).
14.
C.
Bradac
,
T.
Gaebel
,
N.
Naidoo
,
M. J.
Sellars
,
J.
Twamley
,
L. J.
Brown
,
A. S.
Barnard
,
T.
Plakhotnik
,
A. V.
Zvyagin
, and
J. R.
Rabeau
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
345
(
2010
).
15.
M. V.
Hauf
,
B.
Grotz
,
B.
Naydenov
,
M.
Dankerl
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M.
Stutzmann
,
F.
Reinhard
, and
J. A.
Garrido
,
Phys. Rev. B
83
,
081304
(
2011
).
16.
B.
Grotz
,
M. V.
Hauf
,
M.
Dankerl
,
B.
Naydenov
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M.
Stutzmann
,
F.
Reinhard
, and
J. A.
Garrido
,
Nat. Commun.
3
,
729
(
2012
).
17.
H.
Kato
,
M.
Wolfer
,
C.
Schreyvogel
,
M.
Kunzer
,
W.
Müller-Sebert
,
H.
Obloh
,
S.
Yamasaki
, and
C. E.
Nebel
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
151101
(
2013
).
18.
Y.
Doi
,
T.
Makino
,
H.
Kato
,
D.
Takeuchi
,
M.
Ogura
,
H.
Okushi
,
H.
Morishita
,
T.
Tashima
,
S.
Miwa
,
S.
Yamasaki
,
J.
Wrachtrup
,
Y.
Suzuki
, and
N.
Mizuochi
,
Phys. Rev. X
4
,
011057
(
2014
).
19.
C.
Schreyvogel
,
V.
Polyakov
,
R.
Wunderlich
,
J.
Meijer
, and
C. E.
Nebel
,
Sci. Rep.
5
,
12160
(
2015
).
20.
S.
Karaveli
,
O.
Gaathon
,
A.
Wolcott
,
R.
Sakakibara
,
O. A.
Shemeshe
,
D. S.
Peterka
,
E. S.
Boyden
,
J. S.
Owen
,
R.
Yuste
, and
D.
Englund
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
113
,
3938
(
2016
).
21.
M.
Pfender
,
N.
Aslam
,
P.
Simon
,
D.
Antonov
,
G.
Thiering
,
S.
Burk
,
F. F.
de Oliveira
,
A.
Denisenko
,
H.
Fedder
,
J.
Meijer
,
J. A.
Garrido
,
A.
Gali
,
T.
Teraji
,
J.
Isoya
,
M. W.
Doherty
,
A.
Alkauskas
,
A.
Gallo
,
A.
Grüneis
,
P.
Neumann
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
17
,
5931
(
2017
).
22.
J.
Forneris
,
S. D.
Tchernij
,
A.
Tengattini
,
E.
Enrico
,
V.
Grilj
,
N.
Skukan
,
G.
Amato
,
L.
Boarino
,
M.
Jakšić
, and
P.
Olivero
,
Carbon
113
,
76
(
2017
).
23.
M.
Shimizu
,
T.
Makino
,
T.
Iwasaki
,
J.
Hasegawa
,
K.
Tahara
,
W.
Naruki
,
H.
Kato
,
S.
Yamasaki
, and
M.
Hatano
,
Diamond Relat. Mater.
63
,
192
(
2016
).
24.
X.-D.
Chen
,
C.-L.
Zou
,
F.-W.
Sun
, and
G.-C.
Guo
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
013112
(
2013
).
25.
Y.
Doi
,
T.
Fukui
,
H.
Kato
,
T.
Makino
,
S.
Yamasaki
,
S.
Miwa
,
F.
Jelezko
,
Y.
Suzuki
, and
N.
Mizuochi
,
Phys. Rev. B
93
,
081203(R)
(
2016
).
26.
K.
Iakoubovskii
and
A.
Stesmans
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
R467
(
2002
).
27.
N.
Mizuochi
,
H.
Watanabe
,
J.
Isoya
,
H.
Okushi
, and
S.
Yamasaki
,
Diamond Relat. Mater.
13
,
765
(
2004
).
28.
H.
Kato
,
T.
Makino
,
M.
Ogura
,
N.
Tokuda
,
H.
Okushi
, and
S.
Yamasaki
,
Appl. Phys. Express
2
,
055502
(
2009
).
29.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
2007
).
30.
J. W.
Steeds
,
S. J.
Charles
,
J.
Davies
, and
I.
Griffin
,
Diamond Relat. Mater.
9
,
397
(
2000
).
31.
J. P.
Goss
,
P. R.
Briddon
,
R.
Jones
, and
S.
Sque
,
Diamond Relat. Mater.
13
,
684
(
2004
).
32.
R.
Farrer
,
Solid State Commun.
7
,
685
(
1969
).
33.
N.
Mizuochi
,
P.
Neumann
,
F.
Rempp
,
J.
Beck
,
V.
Jacques
,
P.
Siyushev
,
K.
Nakamura
,
D.
Twitchen
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. B
80
,
041201(R)
(
2009
).
You do not currently have access to this content.