東工大ら,パワーデバイス内部の電界強度を光で計測

JST戦略的創造研究推進事業の一環として,東京工業大学,産業技術総合研究所らのグループは,ダイヤモンドパワーデバイス内部に原子レベルの構造である窒素-空孔(NV)センターを形成し,高電圧動作中のパワーデバイス内部の電界強度を定量的にナノメートルスケールで計測することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンド半導体は電力損失の少ない次世代低損失パワーエレクトロニクスを構築する高性能デバイス材料。パワーデバイスの内部電界を直接観察する技術が必要になるが,定量的かつナノメートルスケールの空間分解能で内部電界を計測することは困難だった。

この問題を解決するために,研究グループはダイヤモンド半導体中の窒素-空孔(NV)センターを利用し,直接デバイス内部の電界を計測する手法を開発した。NVセンターはダイヤモンド格子中に1つの窒素原子と1つの空孔からなる原子レベルの構造であるため,ナノメートルスケールで電界,磁場,温度などの外部環境変化を計測することができ,熱的にも安定なので,室温や大気中でも高感度センサーとして機能する。

研究では,NVセンターをダイヤモンドパワーデバイス内に作りこむことによって,デバイス内部にかかる高電界を定量的に直接計測した。計測は光検出磁気共鳴法(ODMR)で行なった。緑色のレーザーで励起したときにNVセンターが出す赤色蛍光を観測することで,NVセンターが感じる電界を検出する方法で,NVセンターのスピンレベル間に対応するマイクロ波周波数位置で赤色強度が減少することを利用する。

この手法は,予期しない電界集中発生や大きなリーク電流下,絶縁破壊電圧印加時での電界測定など,正確なシミュレーションが困難な状況への適用も期待できる。また,複数のNVセンターを利用することで,電界強度をイメージングすることも可能になるという。

さらに超解像顕微鏡と組み合わせることで空間分解能を10nm程度まで向上させられることや,パワーデバイスの動作解析を通して材料開発へのフィードバックが加速することで,次世代低損失パワーエレクトロニクス実現への貢献が期待できるとしている。

また,ダイヤモンド中のNVセンター以外にも,SiC(炭化ケイ素),GaN(窒素ガリウム),AlN(窒化アルミニウム),h-BN(六方晶窒化ホウ素)などさまざまなワイドバンドギャップ材料中に原子レベルの発光構造(SiC中のSi空孔など)があることが確認されている。発光構造の形成方法およびスピン制御技術の開発により,これらの材料に対しても,今回開発した計測手法が適用可能であるとしている。

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