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SiCシリコン空孔を用いた全光型量子センシングの実験

針井　一哉, 大門　俊介, 平石　秀徳, 泰斗 土方, 松下雄一郎, 丈志 大島, 好田　誠

Published Sep 18, 2025• 0 citations
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Abstract

シリコンカーバイド（SiC）中のシリコン空孔（VSi）は欠陥にトラップされた電子準位の磁場依存性を利用することで高感度な磁場センシングが可能なスピン欠陥である。スピン欠陥型量子センサで一般的な磁場検出原理である光検出型磁気共鳴（ODMR）法は高感度化に適するものの、励起光、蛍光に加えて磁気共鳴用の高周波が必要であり、センサ構造が複雑になる。そこで、代表的なスピン欠陥の一つであるダイヤモンド窒素-空孔中心では、磁場印加によるスピン状態の混成を利用した高周波レスの磁場センサが提案、実装されている. 我々はこの手法をVSiに援用し、マイクロ波を用いない磁場センサの開発を行うとともに、蛍光強度の角度依存性、励起光強度依存性を系統的に測定した。

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シリコン空孔量子センサによる基底・励起準位同時共鳴法を用いた磁場・温度同時計測の最適化

田中友晃, 山崎 雄一, 児島　一聡 +1 more

1. 研究背景・目的 炭化ケイ素(SiC)中のシリコン空孔(VSi)は量子センサとして使用可能であり、デバイス中に作製することでデバイス内部の磁場・温度を高精度・高空間分解能で測定できる点から注目されている[1, 2]。VSi量子センサを用いた磁場・温度計測には基底(磁場)および励起(温度)準位の光検出磁気共鳴(ODMR)測定が必要である。測定効率向上のためには、基底・励起状態同時測定が望ましい。しかし、基底準位のODMRコントラスト(感度)と比較して励起準位のコントラストは1桁程度小さいため、温度測定が測定時間を律速してしまう。この問題の解決策として我々は、基底・励起準位の同時共鳴により基底準位側のコントラストが変調されることを利用した新規温度計測手法、同時共鳴(SR)ODMRを提案し、効果を実証した[3]。この方法は基底準位側のコントラストの一部を励起準位側のコントラストに転換するものであるため、SR法を用いた磁場・温度同時計測では測定時間を最小化するための条件最適化が必須である。そこで本研究では、SR ODMRによる同時測定に用いるRFの出力比を最適化することを目的とした。 2. 実験 p型 4H-SiC エピタキシャル薄膜(5.6 µm)付き基板に対して粒子線描画法(イオン種: He, エネルギー: 0.5 MeV, 照射量: 3×105 /dot)を用いてVSiドットを形成した。ドットサイズ、深さはそれぞれ5×5 µm2、~1 µmである。測定には信号発生器3台を使用し、1台はSRの基底準位共鳴用に周波数(70 MHz)に固定、残りの2台を基底及び励起準位の共鳴周波数近傍で掃引させ(20-170, 300-600 MHz)、基底及び励起準位のODMR測定を行った。 3. 結果・考察 図にSR法を用いた基底・励起準位ODMR同時測定のスペクトルを示す。基底・励起準位の共鳴によるODMRコントラスト(図中赤・青矢印)が観察されている。500 MHzにもディップ(緑矢印)が認められる。ここは掃引条件から、基底準位測定側の掃引周波数70MHz前後にあたる周波数領域であり、SRおよび基底準位ODMR測定用RFの両方で基底準位の共鳴が生じている。これらの競合が起きた結果、SR ODMR側の500 MHz前後にディップが現れたと考えられる。基底・励起準位の共鳴による信号強度の大きさ(感度に対応)に着目し、SRおよび基底測定用RFの出力比を変えて測定を行った結果、SR及び基底準位ODMR測定用RFの出力比=1:9でODMRコントラストの大きさがほぼ同等となった。この出力比条件ではSRの信号強度は通常の励起準位測定の4倍以上であり高速化が達成されたと考えられる。当日はその詳細を報告する。 [1] M. Niethammer et al., Phys. Rev. Appl. 6, 034001 (2016). [2] T. M. Hoang et al., Appl. Phys. Lett. 118, 044001 (2021). [3] 山崎 雄一 他, 第69回応用物理学会春季学術講演会 25a-E301-1

•Dec 7, 2022•0 citations

Optimization of simultaneous measurement of magnetic field and temperature measurement by silicon vacancy quantum sensor using simultaneous resonance

Tanaka Tomoaki, Yamazaki Yuichi, Kojima Kazutoshi +1 more

Background and Purpose Silicon vacancies (VSi) in silicon carbide (SiC) have attracted great attention because we can measure magnetic field and temperature in some devices by fabricating VSi in the devices1,2. Simultaneous measurement of magnetic field and temperature using SiC-VSi quantum sensor requires simultaneous Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) measurement of the ground and excited states. However, the ODMR contrast (= sensitivity) of the excited state is about one order of magnitude smaller than that of the ground state. So, the temperature measurement is time-consuming. To solve this problem, we have proposed and demonstrated a new temperature measurement method, Simultaneous Resonance (SR) ODMR, which based on the modulation of the ODMR contrast of the ground state by simultaneous resonance of the ground and excited states3. This method converts part of the contrast of the ground state into that of the excited state. In order to perform magnetic field and temperature measurements with high sensitivity, it is necessary to optimize the RF power ratio which is related to the contrast ratio between the ground and excited states to minimize the measurement time. Therefore, the purpose of our study is to optimize the power ratio of the RF using the simultaneous measurement by SR ODMR. Methods and Results VSi dots were fabricated on p-type 4H-SiC epitaxial thin film (5.6 µm) using a particle beam writing (ion species: He, Energy: 0.5 MeV, irradiation dose: 3×105 /dots). The size and depth of the dots are 5×5 µm2 and ~1 µm, respectively. Three signal generators were used for the measurements, one fixed at the resonance frequency of the ground state (70 MHz) for SR, and the others swept near those of the ground and excited states (20-170, 300-600 MHz) for the ground state and SR ODMR measurements, respectively. Figure 1 shows the spectra of ground and SR excited states by ODMR simultaneous measurements. Signal intensities indicated by red and blue arrows are observed. The former is a resonance of the ground state, and the latter is that of the excited states. We can find that another dip indicated by green arrow around 500 MHz exists. The sweep condition indicates that this frequency corresponds to 70 MHz of the ground state measurement. This suggests that the resonance of the ground state occurs in both the ground state and SR ODMR measurements. As a result of their competition, the dip appears at around the 500 MHz on the SR ODMR side. We measured the changing of ODMR contrast of the ground and excited states when we change the RF power of signal generators. The signal intensity was almost the same at the RF power ratio of 1:9 for SR and ground state ODMR. At this condition, the contrast of SR is more than four times that of traditional excited state measurement. This suggests that we achieved faster measurement than conventional simultaneous ground and excited states measurement.

•Nov 29, 2022•0 citations

量子欠陥スピンを⽤いた全光型量⼦センシングの理論

大門　俊介, 針井　一哉, 平⽯秀徳 +4 more

本研究では、全光型量子センシングの感度向上を目指し、固体欠陥の蛍光プロセスを理論的側面から解析した。シリコンカーバイド中のシリコン空孔欠陥を対象とし、欠陥近傍に局在した電子がつくる多体電子状態のエネルギー準位に対して、レーザー励起および緩和による軌道遷移に加え、外部磁場によるスピン状態の変化をシミュレートすることで、実験結果をよく再現するモデルの構築に成功した。マイクロ波によるスピン操作がない場合でも内因的な相互作用によりスピン状態が混成し、蛍光強度が変化することを明らかにした。

•Sep 9, 2026•0 citations

Quantum electrometry in a silicon carbide power device

Yuichi Yamazaki, Akira Kiyoi, Naoyuki Kawabata +7 more

For high-bias operation devices such as silicon carbide (SiC) power devices, early detection of failure mechanisms is essential to ensure reliability. This requires a method to map high electric fields with high spatial resolution, which has not been realized until now. Here we report that the silicon vacancy (Vsi) in SiC has outstanding characteristics for detecting electric fields applied in various directions within a high-biased SiC device. Vsi exhibits an equivalent response to electric field components parallel (Epara) and perpendicular (Eperp) to the c-axis, a feature unique among quantum sensors, and the responsiveness to Epara and Eperp enables detection of arbitrary electric fields encountered in cutting-edge SiC power devices. We confirmed high electric field detection of ~2.3 MV/cm, which is ~90% of the breakdown electric field of a 4H-SiC with typical carrier concentration. Selectively formed Vsi enables high-resolution mapping of electric field distribution. Vsi-based quantum sensors bring data-driven research and development methodologies as well as device degradation diagnosis.

quant-pharXiv:2603.13836•Mar 17, 2026

SiC のバナジウム中心に基づく通信波長帯量子光源に向けた ナノビーム光共振器の設計

文博 林, Wenbo Lin, 茂 中川 +3 more

•Sep 1, 2025•0 citations

管理機能付き公開鍵暗号システム (特別セッション 可視光空間通信と電力線通信)

幹雄 加納

IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.•Mar 19, 2002•0 citations
シリコンカーバイド（SiC）中のシリコン空孔（VSi）は欠陥にトラップされた電子準位の磁場依存性を利用することで高感度な磁場センシングが可能なスピン欠陥である。スピン欠陥型量子センサで一般的な磁場検出原理である光検出型磁気共鳴（ODMR）法は高感度化に適するものの、励起光、蛍光に加えて磁気共鳴用の高周波が必要であり、センサ構造が複雑になる。そこで、代表的なスピン欠陥の一つであるダイヤモンド窒素-空孔中心では、磁場印加によるスピン状態の混成を利用した高周波レスの磁場センサが提案、実装されている. 我々はこの手法をVSiに援用し、マイクロ波を用いない磁場センサの開発を行うとともに、蛍光強度の角度依存性、励起光強度依存性を系統的に測定した。
1. 研究背景・目的 炭化ケイ素(SiC)中のシリコン空孔(VSi)は量子センサとして使用可能であり、デバイス中に作製することでデバイス内部の磁場・温度を高精度・高空間分解能で測定できる点から注目されている[1, 2]。VSi量子センサを用いた磁場・温度計測には基底(磁場)および励起(温度)準位の光検出磁気共鳴(ODMR)測定が必要である。測定効率向上のためには、基底・励起状態同時測定が望ましい。しかし、基底準位のODMRコントラスト(感度)と比較して励起準位のコントラストは1桁程度小さいため、温度測定が測定時間を律速してしまう。この問題の解決策として我々は、基底・励起準位の同時共鳴により基底準位側のコントラストが変調されることを利用した新規温度計測手法、同時共鳴(SR)ODMRを提案し、効果を実証した[3]。この方法は基底準位側のコントラストの一部を励起準位側のコントラストに転換するものであるため、SR法を用いた磁場・温度同時計測では測定時間を最小化するための条件最適化が必須である。そこで本研究では、SR ODMRによる同時測定に用いるRFの出力比を最適化することを目的とした。 2. 実験 p型 4H-SiC エピタキシャル薄膜(5.6 µm)付き基板に対して粒子線描画法(イオン種: He, エネルギー: 0.5 MeV, 照射量: 3×105 /dot)を用いてVSiドットを形成した。ドットサイズ、深さはそれぞれ5×5 µm2、~1 µmである。測定には信号発生器3台を使用し、1台はSRの基底準位共鳴用に周波数(70 MHz)に固定、残りの2台を基底及び励起準位の共鳴周波数近傍で掃引させ(20-170, 300-600 MHz)、基底及び励起準位のODMR測定を行った。 3. 結果・考察 図にSR法を用いた基底・励起準位ODMR同時測定のスペクトルを示す。基底・励起準位の共鳴によるODMRコントラスト(図中赤・青矢印)が観察されている。500 MHzにもディップ(緑矢印)が認められる。ここは掃引条件から、基底準位測定側の掃引周波数70MHz前後にあたる周波数領域であり、SRおよび基底準位ODMR測定用RFの両方で基底準位の共鳴が生じている。これらの競合が起きた結果、SR ODMR側の500 MHz前後にディップが現れたと考えられる。基底・励起準位の共鳴による信号強度の大きさ(感度に対応)に着目し、SRおよび基底測定用RFの出力比を変えて測定を行った結果、SR及び基底準位ODMR測定用RFの出力比=1:9でODMRコントラストの大きさがほぼ同等となった。この出力比条件ではSRの信号強度は通常の励起準位測定の4倍以上であり高速化が達成されたと考えられる。当日はその詳細を報告する。 [1] M. Niethammer et al., Phys. Rev. Appl. 6, 034001 (2016). [2] T. M. Hoang et al., Appl. Phys. Lett. 118, 044001 (2021). [3] 山崎 雄一 他, 第69回応用物理学会春季学術講演会 25a-E301-1
Background and Purpose Silicon vacancies (VSi) in silicon carbide (SiC) have attracted great attention because we can measure magnetic field and temperature in some devices by fabricating VSi in the devices1,2. Simultaneous measurement of magnetic field and temperature using SiC-VSi quantum sensor requires simultaneous Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) measurement of the ground and excited states. However, the ODMR contrast (= sensitivity) of the excited state is about one order of magnitude smaller than that of the ground state. So, the temperature measurement is time-consuming. To solve this problem, we have proposed and demonstrated a new temperature measurement method, Simultaneous Resonance (SR) ODMR, which based on the modulation of the ODMR contrast of the ground state by simultaneous resonance of the ground and excited states3. This method converts part of the contrast of the ground state into that of the excited state. In order to perform magnetic field and temperature measurements with high sensitivity, it is necessary to optimize the RF power ratio which is related to the contrast ratio between the ground and excited states to minimize the measurement time. Therefore, the purpose of our study is to optimize the power ratio of the RF using the simultaneous measurement by SR ODMR. Methods and Results VSi dots were fabricated on p-type 4H-SiC epitaxial thin film (5.6 µm) using a particle beam writing (ion species: He, Energy: 0.5 MeV, irradiation dose: 3×105 /dots). The size and depth of the dots are 5×5 µm2 and ~1 µm, respectively. Three signal generators were used for the measurements, one fixed at the resonance frequency of the ground state (70 MHz) for SR, and the others swept near those of the ground and excited states (20-170, 300-600 MHz) for the ground state and SR ODMR measurements, respectively. Figure 1 shows the spectra of ground and SR excited states by ODMR simultaneous measurements. Signal intensities indicated by red and blue arrows are observed. The former is a resonance of the ground state, and the latter is that of the excited states. We can find that another dip indicated by green arrow around 500 MHz exists. The sweep condition indicates that this frequency corresponds to 70 MHz of the ground state measurement. This suggests that the resonance of the ground state occurs in both the ground state and SR ODMR measurements. As a result of their competition, the dip appears at around the 500 MHz on the SR ODMR side. We measured the changing of ODMR contrast of the ground and excited states when we change the RF power of signal generators. The signal intensity was almost the same at the RF power ratio of 1:9 for SR and ground state ODMR. At this condition, the contrast of SR is more than four times that of traditional excited state measurement. This suggests that we achieved faster measurement than conventional simultaneous ground and excited states measurement.
本研究では、全光型量子センシングの感度向上を目指し、固体欠陥の蛍光プロセスを理論的側面から解析した。シリコンカーバイド中のシリコン空孔欠陥を対象とし、欠陥近傍に局在した電子がつくる多体電子状態のエネルギー準位に対して、レーザー励起および緩和による軌道遷移に加え、外部磁場によるスピン状態の変化をシミュレートすることで、実験結果をよく再現するモデルの構築に成功した。マイクロ波によるスピン操作がない場合でも内因的な相互作用によりスピン状態が混成し、蛍光強度が変化することを明らかにした。
For high-bias operation devices such as silicon carbide (SiC) power devices, early detection of failure mechanisms is essential to ensure reliability. This requires a method to map high electric fields with high spatial resolution, which has not been realized until now. Here we report that the silicon vacancy (Vsi) in SiC has outstanding characteristics for detecting electric fields applied in various directions within a high-biased SiC device. Vsi exhibits an equivalent response to electric field components parallel (Epara) and perpendicular (Eperp) to the c-axis, a feature unique among quantum sensors, and the responsiveness to Epara and Eperp enables detection of arbitrary electric fields encountered in cutting-edge SiC power devices. We confirmed high electric field detection of ~2.3 MV/cm, which is ~90% of the breakdown electric field of a 4H-SiC with typical carrier concentration. Selectively formed Vsi enables high-resolution mapping of electric field distribution. Vsi-based quantum sensors bring data-driven research and development methodologies as well as device degradation diagnosis.