实现了碳化硅( SiC )量子传感器的高灵敏度化！ ~提高新一代功率半导体的可靠性~刊登日期: 2023年9月6日更新 重点 量子操作使碳化硅( SiC )量子传感器的温度灵敏度提高了一倍以上
成功在100℃以上的高温区域进行了测量，这是迄今为止的方法无法测量的
有助于电源设备等产品化不断发展的功率半导体的性能提高和质量管理的量子技术 概要国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(理事长小安重夫)。 以下简称“QST”)高崎量子应用研究所量子功能创制研究中心的山崎雄一高级研究员等人的研究小组，在使用碳化硅( SiC )半导体的量子传感器1 )进行的温度测量中，实现了高灵敏度化，这一点备受期待，可以在节能性能和高电压下使用，成功测量到了120℃，大大超过了此前可以测量的50℃。 SiC制的功率半导体与以往的硅( Si )制相比，具有节能性能高、即使在高电压下也能使用且能耐受高动作温度等特点，在新干线的电子部件中使用等，在我们身边的利用也逐渐扩大。 QST具有将精密控制的离子束2 )注入SiC半导体膜，在其内部形成被称为硅空穴( VSi )3)的自旋缺陷4 ) (以下称为“SiC-VSi”)的技术。 SiC-VSi作为能够同时测定磁场和温度的量子传感器发挥功能，因此作为能够直接观测动作中的SiC功率半导体内部的目标位置的电流(磁场)和温度的唯一技术，有助于取得动作时的详细数据而提高耐久性等，有助于把握适当的更换时期而防止事故和经济性 。但是，SiC-VSi量子传感器对温度的灵敏度极低，在温度信息的信号变小的超过50℃的高温区域难以进行温度测量，因此成为了实用化的大课题。
此次，研究小组着眼于SiC-VSi量子传感器比温度对磁场更敏感的反应，开发了用于将磁场信息转换为温度信息的量子操作5 )技术，而不是直接测量温度。 通过使用这一新技术，确认了温度测量所需的信号强度比以往方法强10倍以上，并实际验证了超过120℃的温度测量。 另外，预计还可以测量到电动汽车等使用的市售SiC功率半导体的动作保证温度175℃，可以说本成果是向SiC量子传感器的实用化迈出的一大步。
利用可直接嵌入SiC功率半导体中的量子传感器，以同等程度的灵敏度测量磁场和温度的本成果，通过测量实际装置中动作中的电子控制部件等的局部温度和电流，可以掌握内部的动作状态。 今后，不仅是电车和电动汽车，在需要电力控制的社会基础设施等方面的利用也有望扩大，作为提高SiC功率半导体的可靠性和质量管理中不可缺少的量子传感技术备受期待。
本研究在光量子跳跃旗舰计划( Q-LEAP )“通过固体量子传感器的高度控制创造创新的传感器系统”( JPMXS0118067395 )以及科研费( 21H04553、20H00355 )的支持下进行 本研究成果刊登在令和5年9月5日出版的(美国时间) Physical Review Applied杂志上。 补充说明资料(1)迄今为止的在QST中，通过将氢离子和氦离子作为直径1μm左右的微束精密地位置控制并照射的技术，在SiC二极管中形成被称为硅空穴( VSi )的自旋缺陷(以下称为" SiC-VSi " )，将其作为量子传感器 (图1 ) ( appl.phys.lett.118，044001 ( 2021 ) )
以金刚石中的氮空位( NV )中心为代表的自旋缺陷型量子传感器中，通常对被称为基态6 )的量子状态，可以通过使用微波或射频进行量子操作来测量磁场和温度等。 使用被称为纳米金刚石的非常小的量子传感器在细胞中进行磁场测量等应用研究是众所周知的。
另一方面，作为使用了新一代半导体材料中已知的SiC的量子传感器的SiC-VSi，由于基态能级对温度不敏感，因此在以往的温度测量方法中使用被称为激发能级6 )的量子状态实施温度测量。 但是，可以进行温度测量的时间(激发能级的持续时间(寿命) )非常短，约为6纳秒( 1纳秒为10亿分之一秒)，而且在信号强度变小的高温区域，存在着温度测量非常困难的问题。 
图1. (a ) SiC二极管中量子传感器形成的图像。 ( b ) SiC二极管中二维形成的VSi阵列。 每个亮点都包含多个VSi，将各个亮点用作量化传感器。 ( c )在SiC二极管中实际流动电流的同时，用用绿圈包围的量子传感器( SiC-VSi )测量的内部温度。 电流密度增加时温度上升。
(2)此次成果此次，关于SiC-VSi，不仅发现了温度测量所需的激发能级，还发现了在同时对温度不敏感的基态能级进行量子操作时，SiC-VSi的基态能级的信号强度会发生特异性变化的现象。 并且，利用该现象，明确了此前在温度测量中无法利用的基态能级信号中也反映了温度信息(激发能级量子操作的结果)，大幅改善了温度的检测灵敏度。 通过迄今为止的只对激发能级进行量子操作的以往方法和对基态能级和激发能级同时进行量子操作的此次方法，实施了SiC半导体的温度测量，结果确认了信号强度将增强约10倍以上。 (图2 )另外，将本方法应用于此前无法在被噪声淹没的高温区域进行测量的结果，证实了此前能够测量的温度只有50℃左右，而在超过120℃的温度下进行测量。 (图3 ) 
图2 .利用此次开发的方法(■)和以往方法(○)进行SiC半导体温度测量的结果。 横轴表示量子操作中使用的无线电波的频率，虚线表示洛伦兹函数的拟合结果。 通过此次开发的方法，可以确认信号强度增强了10倍以上。
图3 .用这次开发的方法进行温度测量的结果。 可以测量超过120℃的温度。
(3)今后的发展SiC半导体因其高节能性、高速动作、高电压下的驱动和高动作温度等特点，作为新一代功率半导体，在国家的半导体战略中也作为创新素材被推进开发。 SiC半导体中形成的量子传感器( SiC-VSi )具有在不影响器件特性的情况下，可以测量动作中的内部状态(温度和电流等)的优异特点。 今后，将进行可获得更高灵敏度的量子操作的开发等，并将其安装在实际的功率半导体中，以提高以往评价的电流、电压、磁场信息为基础的性能，不仅是质量管理，还将通过同时测量温度信息，实现异常动作时的检测等方面的实用化。 用语解说1 )量子传感器
根据量子力学定律，将磁场、电场、温度等作为量子状态的变化量进行检测的传感器。 可以在传统传感器无法测量的微小区域进行测量和高灵敏度测量。 包括利用光子、离子、原子等的物质，本文以宽间隙半导体中形成的自旋缺陷为对象。
2 )离子束
由通过用电磁力加速带电粒子的装置(加速器)提高了能量的离子构成的光束。 用于材料的加工、改性、分析等。 本研究使用了能够将聚焦到直径1μm左右的微束照射到试样的任意位置的粒子线描法。
3 )硅空位( VSi )
对构成碳化硅( SiC )的碳原子和硅原子中，通过离子束弹出1个硅原子而形成的脱离原子的称呼。
4 )自旋缺陷
能够人工控制缺陷中电子自旋的自旋状态，并且能够利用光和电流读取其状态的特殊缺陷。
5 )量子操作
本研究旨在通过具有特定频率的射频辐射下产生的共振现象控制自旋缺陷中电子自旋的自旋状态。
6 )基态能级、激发能级
基于量子力学，量子(这里为电子)可以取得的能级(能级)。 能量最低且稳定的能级称为基态能级，比基态能级更高的能级称为激发态能级。 刊登论文
Phys. Rev. Applied 20, L031001 – Published 5 September 2023 “Highly Sensitive Temperature Sensing Using the Silicon Vacancy in Silicon Carbide by Simultaneously Resonated Optically Detected Magnetic Resonance” Yuichi Yamazaki, Yuta Masuyama, Kazutoshi Kojima, Takeshi Ohshima DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.L031001 申请专利"物理量检测装置、物理量检测方法及物理量检测程序" (日本特愿2022-005281 )
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