東京工業大学と産業技術総合研究所（産総研）らのグループは2017年1月26日、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成功したと発表した（ニュースリリース）。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、電界・磁場・温度などの外部環境変化を計測できる、熱的に安定な高感度センサーとして機能するという。
NVセンターによるダイヤモンドパワーデバイスの内部電界検出。（左）NVセンターの構造図、（中）NVセンターの共焦点顕微鏡像、（右）計測系およびデバイス構造（図：産総研のプレスリリースより）
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半導体デバイス内部の電界は、デバイス性能を決める重要な要素となる。電界強度が材料を破壊する限界の電圧を超えると、システムは正常かつ安全に動作できなくなる。予期せぬ動作や性能の詳細な解析には、パワーデバイスの内部電界を直接観察する技術が必要だが、従来の走査型プローブ顕微鏡による電気特性評価は材料表面のみの計測となり、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のは困難だった。
研究グループは今回、NVセンターをダイヤモンドパワーデバイス内に作り込むことによって、デバイス内部にかかる高電界を定量的に直接計測することに成功した。ダイヤモンドデバイスに窒素イオンを注入することで、NVセンターひとつひとつを分離できる量のセンサーを表面から約350nmの深さに形成した。空間分解能は光の回折限界である約300nmであるため、ナノメートルスケールの内部計測が可能になる。
