光検出磁気共鳴法を用いたワイドギャップパワーデバイスの量子センシング

 
4H-SiC,GaN,ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体は次世代の低損失パワーエレクトロニクスを構築する材料として研究が推進されている1)。新しい半導体によるデバイス実装には高い信頼性が要求されるが,デバイスは欠陥などによるリーク電流,異常発熱,電界集中などで動作不良を起こす。特にワイドギャップパワーデバイスは高い電界強度を保持することが必須である。デバイスの内部電界が材料の絶縁破壊電界強度を超えると,パワーシステムは正常かつ安全に動作することができなくなってしまう。このような状況をシミュレーションのみで予測することは困難である。よって,動作デバイスの内部電界をその場計測するセンシング手法が必要となる。デバイスの電気特性を計測する技術として原子間力顕微鏡をベースにしたケルビン力顕微鏡2)などがこれまでに提案されている。しかしながら,これらの方法は材料の表面のみの情報しか得られず,高電圧動作中のデバイス内部情報にアクセスすることができない。そこで,我々はデバイスに内包された単一電子スピンを利用する新しい定量的電界計測手法を提案した3)。ダイヤモンド中の窒素‐空孔(NV)センター4)やSiC中のSi空孔5〜7)など,単一電子スピンを利用する量子センサ構造をワイドギャップ材料中に形成することができる。ここでは,ダイヤモンドデバイス中に形成した単一NVセンターを利用した電界検出について紹介する。ダイヤモンド半導体は高絶縁破壊電界強度(10 MV/cm)および高熱伝導率(20 W/cmK)を有していることから,次世代の低損失かつ小型パワーシステムを構築する材料として期待されている。

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