作为 JST 战略创新研究促进项目的一部分，由东京工业大学助理教授 Takayuki Iwasaki 和 Mutsuko Hatano 教授以及日本国立先进产业技术研究院先进电力电子研究中心的研究团队负责人 Toshiharu Makino 组成的团队由 Diamond电源设备注1)内部有原子级结构氮空位 (NV) 中心注2)并在世界上首次成功地在纳米尺度上定量测量功率器件高压工作时内部的电场强度。
对低碳社会做出巨大贡献的功率器件包括从传统的Si（硅）半导体到SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）、金刚石等宽带隙半导体注3)替换下一代功率器件，可以实现更大的节能和设备小型化。维持大电压是功率器件的重要性能，但迄今为止还无法定量测量施加电压时器件内部的电场。
原子级NV中心研究组电子自旋注4)我们提出了一种利用电场改变电平的新型电场传感器，并证明通过检测功率器件内部形成的光，可以现场定量测量器件内部的电场。预计将应用于器件仿真困难的场合，并通过测量功率器件的运行情况，有望为实现下一代低损耗电力电子器件做出贡献。
该研究成果于2017年1月23日（美国东部时间）在线发表在美国化学会学术期刊《ACS Nano》上。
金刚石半导体是高性能器件材料，用于构建功率损耗极小的下一代低损耗电力电子器件。金刚石装置的实现有望大幅降低汽车、铁路、自然能源发电与输电、智能电网电力控制等大型电力转换过程中的能耗。为了快速实现使用新材料的功率器件的商业化，检测每个器件内部的信息、向器件制造提供反馈并更有效地进行开发非常重要。
半导体器件内部的电场是决定器件性能的重要因素。如果电场强度超过破坏材料的临界电压，系统将不再能够正常、安全地运行。对意外行为和性能的详细分析需要直接观察功率器件内部电场的技术。目前，用于电性能评估扫描探针显微镜注5)的方法，但在这种情况下，仅测量材料的表面，因此难以以纳米级空间分辨率定量测量内部电场。
为了解决这个问题，研究小组开发了一种利用金刚石半导体中的氮空位（NV）中心直接测量器件内部电场的方法。由于NV中心在金刚石晶格中具有由1个氮原子和1个空位组成的原子级结构，因此可以在纳米尺度上测量电场、磁场、温度等外部环境的变化（图1）。 NV 中心在金刚石的大带隙内形成能级，使其具有热稳定性，并在室温和大气中充当高度灵敏的传感器。
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| 图1 NV中心对金刚石功率器件内部电场的检测 |
（左图）NV中心结构图
（中心图像）NV中心的共焦显微镜图像
（右图）测量系统及装置结构
NV中心是相邻碳原子被氮（N）和空位（V）取代的金刚石，预计将具有广泛的应用，包括高灵敏度磁传感器、电场传感器和温度传感器。在中心图像中，共焦显微镜图像中可见的亮点是来自设备内置 NV 中心的光发射。通过在施加微波和相反方向的偏压的同时测量这种光发射的强度，可以检测设备内部的电场。 |
在这项研究中，我们通过在金刚石功率器件中构建NV中心，在世界上首次成功地直接定量测量器件内部施加的高电场。图1显示了包含NV中心和用于电场测量的检测系统的金刚石pin二极管的结构。通过将氮离子注入金刚石器件，在距表面约 350 nm 的深度处形成足够的传感器，以分隔每个 NV 中心。空间分辨率约为 300 nm，这是光的衍射极限，使得纳米级的内部测量成为可能。
功率器件在关闭时保持高电压并产生高内部电场。因此，我们测量了对 pin 二极管施加反向偏压时的电场（图 2 (a)）。我们还确认，即使在引入 NV 中心后，该器件仍保持低漏电流并作为二极管运行。
测量结果是光学检测磁共振 (ODMR)注6)完成的该方法通过观察NV中心在绿色激光激发时发出的红色荧光来检测NV中心感受到的电场，并利用在与NV中心的自旋能级相对应的微波频率位置处红色强度降低的事实。由于该能量位置由于与电场的相互作用而发生变化，因此ODMR中的共振点发生偏移，并且可以根据该偏移量定量地确定电场。图 2(b) 显示了偏置沿相反方向增加时的 ODMR 谱。您可以看到发射强度的谷值（共振点）如何随着电压的增加而变化。这是在 NV 中心垂直于 NV 轴的电场 E⊥图2(c)显示了根据谐振点位置计算电场的结果。随着电压的增加，电场也增加，在150 V时达到约350 kV/cm。这是NV中心检测到的最大电场。实验获得的电场强度与器件模拟器的结果相匹配，证实了在纳米尺度上定量测量功率器件内部电场的可能性。
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| 图2 使用光学检测磁共振（ODMR）进行电场测量 |
(a) 金刚石pin二极管的电流-电压特性
(b) 施加反向偏压时的 ODMR 谱
(c) 检测到的电场与电压之间的关系
可以看出，当施加大电压时，发射强度降低的发射强度谷（共振点）的位置发生移动。右图显示了根据发射强度谷的宽度计算出的电场。与器件仿真结果一致，表明该方法可以定量测量器件内部电场。 |
这项研究表明，可以在纳米尺度上定量测量功率器件的内部电场。该方法还可应用于难以精确模拟的情况，例如意外的电场集中、漏电流大以及施加介质击穿电压时的电场测量等。此外，通过使用多个 NV 中心，还可以对电场强度进行成像。进一步超分辨率显微镜注7)相结合，可以将空间分辨率提高到10 nm左右，并通过功率器件的操作分析加速对材料开发的反馈，有望为实现下一代低损耗电力电子做出贡献。
除了金刚石中的NV中心外，已证实在SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）、AlN（氮化铝）、h-BN（六方氮化硼）等各种宽带隙材料中也存在原子级发光结构（如SiC中的Si空位）。随着发光结构形成方法和自旋控制技术的发展，预计本次开发的测量方法也将适用于这些材料。
该成果得到了东京电力纪念基金会研究补助金（基础研究）的部分支持。