联合研究小组成员包括东京工业大学工学院电气电子工程系的岩崎隆之副教授和波多野睦子教授，以及米乐m6官方网站先进电力电子研究中心的高级研究员加藤博光和研究组组长牧野俊晴。量子传感器（第 1 项）在钻石中，其功能为氮空位 (NV) 中心的自旋信息（术语 2）使用金刚石装置。
新开发金刚石 p-i-n 二极管即使电压为零，NV中心的光电流也包含在（第3项）中内在潜力（第 4 项）已证明可以有效地提取它。光电检测磁共振（PDMR，第5项）通过测量，我们演示了自旋信息检测，这是传感的原理。光学载流子，这对于量子传感器集成的设计非常重要。扩散长度测量（第 6 项）。未来，通过将其与基于器件的载流子倍增技术相结合，有望实现高灵敏度的集成量子传感器。
研究结果发布于 2021 年 6 月 24 日（美国东部时间），AIP Publishing“
应用物理快报
金刚石中的氮空位 (NV) 中心是生物磁场（第 7 条）。通常，NV中心发射的荧光是使用光电探测器来测量的，但存在由于光学元件导致的信号衰减以及由于元件数量的增加而导致的尺寸增加的问题，使得性能改进和集成化很难同时实现。
对于这种光学检测，之前曾尝试使用金属-金刚石（绝缘体）-金属 MIM 结构进行电检测，但需要使用可以开发的器件结构进行电检测，以构建更灵敏、更紧凑的传感器系统。
在这项研究中，我们展示了一种使用水平金刚石 p-i-n 二极管结构的 NV 中心电检测技术。新开发的金刚石 p-i-n 二极管的结构是在 i 层顶部图案化 p 层和 n 层，并使用化学气相合成法重掺杂杂质（图 1，左）。通过氮离子注入在i层中形成NV中心。
我们发现，即使在没有施加外部电压的情况下，也可以测量由于激光光激发而从 p 层附近的 NV 中心产生的光载流子（图 1 中心）。这表明不同掺杂金刚石交界处产生的内置电势可以有效地收集光载流子。当用0至10mW的光照射时，获得了随照射光的功率而变化的光电流。我们成功地进行了 PDMR 测量，在施加微波的同时以电方式检测来自 NV 中心的自旋信息，并证明其具有量子传感器的功能（图 1，右）。
迄今为止，尚不清楚 NV 中心产生的光载流子可以传播多远。在这项研究中，我们通过改变光照射的位置并测量电信号的距离依赖性，在世界上首次测量了从NV中心产生的光载流子的扩散长度。这些知识对于集成固态量子传感器的设计非常重要。
图 1。（左）包含 NV 中心的水平金刚石 p-i-n 二极管。通过扫描激光时检测电信号来评估扩散长度。
（中）以电方式检测到来自 NV 中心的光电流。正电压代表二极管的反向偏置。将激光功率从 0 更改为 10 mW 时的结果。
（右）PDMR 频谱。信号的谷值是自旋态的共振点，外部磁场引起的分裂表明它起到了磁场传感器的作用。
这项研究为基于金刚石器件技术的量子传感器的高效电检测和集成铺平了道路，并且在未来，这项研究将为基于金刚石器件技术的量子传感器的高效电检测和集成铺平了道路。雪崩乘法（第8项）有潜力将NV中心的信号强度提高几个数量级，因此有望为高灵敏度固态量子传感器的开发做出贡献。
这项研究得到了日本文部科学省光学与量子飞跃旗舰项目 (Q-LEAP)“通过固态量子传感器的先进控制创建创新传感器系统”（编号 JPMXS0118067395）和日本学术振兴会科学研究资助金（B）（编号18H01472）。
已出版的杂志：应用物理快报
论文标题：利用金刚石横向 p-i-n 二极管光电检测氮空位中心
作者：T Murooka、M Shiigai、Y Hironaka、T Tsuji、B Yang、T M Hoang、K Suda、K Mizuno、H Kato、T Makino、M Ogura、S Yamasaki、M Hatano 和 T Iwasaki
DOI：101063/50055852