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パワーデバイス内部の電界を正確に計測することに成功 ~パワーエレクトロニクスのさらなる省エネ化に期待~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST),東京工業大学(東工大),国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は2017年1月26日,JST戦略的創造研究推進事業の一環として,東工大 工学院電気電子系の波多野睦子教授,産総研先進パワーエレクトロニクス研究センター 牧野俊晴研究チーム長らのグループが,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-空孔センター(NVC)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(nm)スケールで計測することに成功したと発表した.この成果は,上記JST事業の研究課題「炭素系ナノエレクトロニクスに基づく革新的な生体磁気計測システムの創出」によって得られ,米国化学会刊行ACS Nanoで公開された(注).

 持続可能な社会形成に向け,自然エネルギーの活用,交通手段などの効率化のため,パワーエレクトロニクスへの期待が高まり,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として期待されている.パワーデバイスは高電界での動作が求められるので,動作や性能の詳細な解析,省エネ性能の向上には,デバイス内部電界の直接観察が必要になるが,これまでは走査プローブ顕微鏡(SPM)による表面電界の観察にとどまっていた.

 これに対し本研究グループは,ダイヤモンドパワーデバイスにNVCを導入し,光検出磁気共鳴(ODMR)によりデバイス内部の電界測定に成功した.ダイヤモンド中のNVCは波長500nm程度の緑色光を照射すると,波長700nm程度の赤色蛍光を発する.NVCの電子基底状態は,2つの電子がスピン3重項を形成しており,異なるスピン状態(0か±1)によってエネルギーが異なる(エネルギー差は周波数にして2870MHz).マイクロ波を照射して高周波磁場を印加すると,縮退していたスピン3重項(±1)の縮退がとけて,磁気共鳴によりサブレベルの占有率が変化するので蛍光強度が変わる.サブレベルは温度や電界などによって変化するので,共鳴周波数は内部電界の指標となる.

 研究グループは,p型基板上にi層,n層を重ねた縦型pinダイヤモンドダイオードを作製し,n層を一部除いてi層を露出させた領域にイオン打ち込みでNVCを形成した.これに緑色レーザ光を照射すると,赤色蛍光が観測される.さらにマイクロ波をあて,周波数を走査して蛍光を観察すると,pinダイオードに電圧を印加しない時は2870MHz付近の広い周波数帯で蛍光強度が下がる.逆方向に50V印加すると蛍光強度の低下する周波数帯が2つのピークとなり,150V印加するとピークの周波数間隔が広がる.このODMR共鳴周波数の解析から150V印加時の電界強度は350kV/cmと求められた.この値はデバイスシミュレータの結果と一致し,定量的にパワーデバイスの内部電界をnmスケール計測できることが確認できた.

 本研究により,パワーデバイスの内部電界が定量的かつnmスケールで計測できることを実証できた.さらに,電界強度のイメージング,空間分解能の10nm程度への向上,SiCなどへの適用等が期待される.

(注)T, Iwasaki , W. Naruki, K. Tahara, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, D. Takeuchi, S. Yamasaki, and M. Hatano, "Direct Nanoscale Sensing of the Internal Electric Field in Operating Semiconductor Devices Using Single Electron Spins", ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.6b04460; Publication Date (Web): January 23, 2017.