研究内容

NV center 窒素-空孔(NV)センター

窒素-空孔(NV)センターは、ダイヤモンド中に形成される窒素(N)と空孔(V)からなる格子欠陥です。これは室温大気圧下においても量子状態を保てる系であり、スピン状態に依存した蛍光を示します。
磁場、電界、さらに温度によるエネルギーレベルの変化を蛍光として読み出すことで高感度センサとして機能します。

NVセンターの個数を制御することで、細胞や分子などのナノスケールな対象から生体磁場などのマクロな対象まで様々な分野への応用が期待されています。

Ultrahigh sensitivity quantum magnetic sensor

超高感度量子磁気センサ

NVセンターは、磁場の強度により量子状態の共鳴周波数が変化する性質(ゼーマン効果)を持っており、その性質を用いて磁気検出を行います。
磁気検出に寄与するNVセンターの数が多いほど磁気感度が向上するため、高密度なNVセンターを用いることで、室温において医療応用に必要とされるフェムトテスラレベルの感度の実現が期待できます。
当研究室では、高感度NVアンサンブル材料の構築、マイクロ波回路の製作、ノイズキャンセルシステムの導入などによる超高感度磁気センサの実現を目標としています。
NVアンサンブルの形成には化学気相成長(CVD)法を用いています。
NVセンターはダイヤモンド格子内に形成されるため、4つの軸方向を持ちます。
CVDを利用することで、NVセンターの軸方向を完全に1方向に制御することができ、磁気検出感度を向上させることができます。
当研究室では、高密度かつ完全に1方向に配向したNVセンター薄膜の形成に成功しており、超高感度磁気センサへの適用に向け研究を進めています。

Nano-scale sensing

ナノスケールセンシング

当研究室では高密度、高配向NVセンタデルタドープ薄膜を表面10nm以下の距離に形成し、生体計測を目的とした高感度なナノスケールNMR解析を行っています[1]。

ナノスケールNMR解析を用いることにより、オイル中のプロトンやフッ素を(20nm)3以下の微小体積から検出することが可能です。

この技術は理論的なフィッテイングと組み合わせることで、表面から1nm程度の領域に存在する表面吸着炭素の厚みを数オングストロームの分解能で同定するなど微小領域における核スピン解析を可能とします。

また、NVセンタを用いた磁気計測ではベクトルイメージングによる磁場方向解析も可能です。
このようにダイヤモンド中のNVセンタはナノスケールの現象を解析する量子センサとして非常に高いポテンシャルを持ちます。

我々はこのセンサを用いた微小領域における生体現象解析を目的としています。

Device quantum sensing

デバイス量子センシング

ワイドギャップ半導体は次世代低損失パワーエレクトロニクスを構築する材料として期待されています。
パワーデバイスは高電圧および高温状態で動作することが求められますが、これまでデバイス内部の局所的な電界および温度を計測することは困難でした。
本研究では、NVセンターを利用することでデバイス内部の物理量をナノスケールでセンシングする技術を開発しています。

研究内容

Power Devices パワーデバイス

パワーデバイスは電力変換装置の構成するメインデバイスの1つです。
省エネルギーへの関心の高まりからパワーデバイスの低損失化が求められています。パワーデバイスの多くはシリコン(Si)が用いられていますが、そのデバイス性能は物性から決定される理論限界に近づきつつあります。そこで当研究室ではSiを上回る優れた特性を持つシリコンカーバイド(SiC)やダイヤモンドといったワイドギャップ半導体を用いたパワーデバイスの研究に取り組んでいます。

SiCパワーデバイスは電車の電力変換装置に採用されたりするなど実用化が始まっていますが、デバイス特性は理論上期待できる特性を大きく下回っているのが現状となっています。このような背景から、私たちはSiCパワーデバイスの性能向上に向けた研究を国内電機メーカーと共同で行っています。

Diamond Power Devices

ダイヤモンドパワーデバイス

ダイヤモンドは次世代パワーデバイス材料であるSiCやガリウムナイトライド(GaN)を凌駕する優れた特性をもつため、究極の半導体とも呼ばれています。ダイヤモンドを用いたパワーデバイスが実現されれば電力変換装置の大幅な損失低減が可能となります。

本研究室ではダイヤモンドを用いた超低損失パワーデバイスの実現に取り組んでいます。これまでの研究では世界初となるダイヤモンド接合型電界効果トランジスタ(JFET)の動作実証に成功しました。本デバイスでは1兆分の1アンペアオーダーの非常に低いリーク電流と4H-SiCの絶縁破壊電界の2.5倍となる3.7 MV/cmという高い絶縁破壊電界を得ることができました。

さらなる研究でJFETの高温動作やノーマリーオフ化、世界で初めてダイヤモンド中での伝導度変調を確認するなどダイヤモンドパワーデバイスの実現へ向けた様々な研究成果を報告しています。

研究内容

Solid-state quantum emitter
固体量子光源

ダイヤモンド中の不純物と空孔が結びついた原子レベルの構造は、単一光子発光を示す量子光源として機能します。

NVセンターは量子光源の代表例であり、量子センサや量子ネットワーク用の光源・量子メモリとしての応用が期待されています。

NVセンターを形成する窒素以外にも、多数の不純物がダイヤモンド中で発光体を存在することが知られており、500種類以上あるとも言われています。しかしながら、単一光子発光を示しかつ再現性良く構造を形成できるものはNVセンターとシリコン‐空孔(SiV)センターに限られていました。

本研究室では、単一光子発光および形成再現性を有し、さらにより優れたと特性を有する量子光源の創出を目的とし、これまでにゲルマニウム‐空孔(GeV)センターおよびスズ‐空孔(SnV)センターを報告しています。

特に、SnVセンターはNV, SiVセンターよりも高い発光強度を示し、長いスピンコヒーレンス時間も期待できる新しい量子光源として世界からも注目されています。

研究内容

Heteroepitaxial diamond growthヘテロエピタキシャル結晶成長

量子センサおよびパワーデバイスに用いられる単結晶ダイヤモンド基板は、高温高圧合成法または化学気相合成(CVD)法を利用して作製されていますが、その基板サイズは数ミリ角程度に留まっています。

ダイヤモンドセンサ・電子デバイスの実用化のためには、ダイヤモンドを大面積合成する技術が必要不可欠であり、本研究室では、シリコン基板上でのヘテロエピタキシャル成長を行っています。

量子センサおよびパワーデバイスに用いられる単結晶ダイヤモンド基板は、高温高圧合成法または化学気相合成(CVD)法を利用して作製されていますが、その基板サイズは数ミリ角程度に留まっています。

ダイヤモンドセンサ・電子デバイスの実用化のためには、ダイヤモンドを大面積合成する技術が必要不可欠であり、本研究室では、シリコン基板上でのヘテロエピタキシャル成長を行っています。

3C-SiC/Si基板上において、独自に開発した高密度マイクロ波プラズマCVD装置を用いて高配向ダイヤモンド薄膜を作製しています。
3C-SiC/Si(001)面方位において高品質なダイヤモンド薄膜を合成でき、3C-SiC/Si(111)基板上では世界で初めて高配向薄膜を得ることに成功しています。
得られた薄膜上で量子センサおよびパワーデバイスを作製しており、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド薄膜の有用性を実証するための研究を推進しています。