窒化ガリウムを用いたナノメートル領域の温度計測
量子科学技術研究開発機構
量子ビーム科学部門
高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部
主幹研究員 佐藤 真一郎
2021年7月13日
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新技術の概要
窒化ガリウム中に希土類元素を極微量混入させ、電流注入発光を用いることで、励起光源不要でナノメートル領域の温度を精密に測定する技術です。以下のような応用例を想定しています。
• ナノサイズの位置分解能での温度分布の時間変動測定（二次元温度分布モニター）• 細胞活動に伴う温度変化の計測（細胞内温度イメージング）• 半導体デバイス内部の温度分布計測（リアルタイムデバイス診断）

希土類2

従来技術・競合技術との比較“希土類元素の発光を用いた温度計測”
従来技術例：特許4147057「温度センサおよびそれを用いた温度測定装置」【従来技術】• 母材料として絶縁体（セラミック、酸化物）を使用• 電気的制御が不可能＝小型化や配列化に難• 励起光源としてレーザー光などが必要＝高価【本技術】• 励起光源が不要（あってもよい）• 電流を流すだけで簡便に温度計測ができる• センサの微細化（小型化）、配列化、低コスト化が実現できる

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関連技術：“量子”センサ
結晶（半導体）中の点欠陥・不純物の電子スピン・発光特性を利用した温度や磁場・電場の高感度計測• 特長：高感度＆マルチスケーラビリティ• ナノメートルスケール領域の高感度計測• 量子センサをうまく導入すれば、デバイス特性を悪化させずに、デバイス内部の局所的な温度（等）のリアルタイム計測が可能→ 診断、故障等の事前検出
半導体中の量子センサ
ダイヤモンド・・・窒素・空孔複合欠陥（NVセンター）等
SiC
・・・シリコン空孔(VSi-)等
GaN・・・希土類元素（本技術）4量子技術の最近の動向
2020年1月 内閣府「量子技術イノベーション戦略」策定• 量子コンピュータ・量子シミュレーション• 量子計測・センシング• 量子通信・暗号• 量子マテリアル（量子物性・材料）
2021年5月31日「量子技術による新産業創出協議会」の設立発起人会が開催「量子」技術で産業創出へ 大手企業11社が官民の協議会設立 | IT・ネット | NHKニュース
https://www3.nhk.or.jp/news/html/20210601/k10013061151000.html

産学官における、量子技術（量子センシング含む）の研究開発が今まさに加速しています！
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量子センサによるデバイス内部診断
動作中デバイスのリアルタイム内部診断は、その材料中の量子センサでなければ行えない【従来の量子センサ】• 多くの場合、光検出磁気共鳴(ODMR)に基づく方法で温度（等）を計測するため、高周波印加が必要• 母材料は主にダイヤモンドやSiC中のスピン欠陥【本技術】• 高周波印加が不要で、計測系がシンプル• GaNを母材料とする量子センサとしては（現状では）唯一
6従来技術との比較（まとめ）
本技術

従来技術

母材料

GaN

ダイヤモンド

SiC

セラミック
酸化物

センサ

希土類元素
（プラセオジム等）

NVセンター等

シリコン空孔等

希土類元素

量子センサ？

Yes

Yes

Yes

No

ナノ領域計測△（→○）
ナノスケール○
原子スケール○
原子スケール

×

電気的制御

○

△○×

微細化・配列化○△○×低コスト化○
レーザー・高周波不要

△△

△デバイス
内部診断

GaNデバイス

ダイヤデバイス

SiCデバイス×

検出感度？
（今後定量化）○○○7

ナノ領域温度計測
2次元発光分布（525nm光励起、38.3℃）

100 nm×100 nm Prイオン注入領域
注入したPr数 = 1×1045433

励起光：525 nm

発光強度（任意単位）

Intensity(kcps)

発光スペクトル
取得

23.6 oC
58.1 oC

ピーク2

ピーク123 mm
1640645650655660

波長(nm)

感度 S = 3×10-3 oC-1

1 d𝑅
𝑆=
𝑅 d𝑇

0.70

ピーク1対ピーク2比• GaNのナノスケール領域（100 nm x 100 nm領域）にPr（プラセオジム）イオンを1万個注入• Prイオンは主に650nm（ピーク1）、652nm（ピーク2）の発光を示す• 温度が高くなると、ピーク2に対するピーク1の強度（比率）は増加• ピーク1とピーク2の比率から温度が求められるピーク1 = 649.5-650.7 nm (1.20 nm)
ピーク2 = 651.4-652.6 nm (1.20 nm)

0.65
y = 0.002x + 0.5400.60
100 nm×100 nm Pr注入領域
注入したPr数 = 1×1040.55

2030405060o

温度 ( C)8ナノ領域温度センサの形成方法【イオン注入法】• センサのサイズ・間隔＝～10 nm以上
（電子ビーム描画精度に依存）• 任意のパターンを形成可能【GaN結晶成長時に直接Prをドープする方法】• nm厚さのセンサ層を形成可能• 微細加工によるパターン化
9電気制御による温度計測
GaNエネルギーバンド
0.8

ピーク1対ピーク2比0.7266 nm光励起
ピーク1 649-651 nm (2 nm)
ピーク2 651-653 nm (2 nm)

0.60.50.40.3

100300200400

温度(K)• 紫外線励起（GaNバンド間励起）によるPr3+発光でも同様に温度計測可能• 紫外線励起発光と電流注入発光はメカニズムが同じ→ 電流注入発光（＝励起光源不要）による温度計測• 計測可能範囲：（少なくとも）80～400 K、室温付近で感度良好
10発光スペクトル変化のメカニズム＊＊暫定＊＊

Pr3+ 4f殻電子準位

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Pr:GaN量子センサ（温度センサ）• Pr3+ ＝ 原子サイズの温度センサ ＝ 量子センサ• シンプルな計測手法（レーザー・高周波不要）• 電気的制御が可能（現在実証中）• 電界／磁界の計測法についても研究中

12想定される用途

13実用化に向けた課題• 導入したPr3+を電流注入発光でGaNデバイス内部のナノ領域温度計測を実証するには至っていない（現在、デバイス作製中）• リアルタイム計測（高速計測）のためには高感度化が必要（現状、30sec程度）• 温度以外にも、電界や磁界の計測手法を開発すれば、リアルタイム同時計測が実現• 発光観測によらない、電気的検出に基づく計測手法についても検討中

14企業への期待
具体的な活用例はまだない• 実デバイス（GaNパワー素子、LED、HEMT等）へ実際に利用したい企業（機関）との共同研究を希望

Pr発光の電気制御による温度計測は未実証• GaNデバイス設計・製作が可能な企業（機関）との共同開発を希望

電界・磁界計測については研究中• 共同研究の希望• 原理実証からデバイス開発まで

電気的検出に基づく計測手法の発案• 共同研究の希望• 原理実証からデバイス開発まで

まずはお気軽に御連絡ください！
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共同研究機関の募集
2021年～7年間 JST創発的研究支援事業
ランタノイド＝希土類「ランタノイド・フォトニクス量子デバイス」

希土類単一光子源＋GaNデバイス＋ナノフォトニクス
•GaNデバイス内部診断のための量子センシング（ナノスケール温度・電界同時計測）の研究• 「室温動作」「電気制御」「光通信波長帯」の単一光子源・量子もつれ光源→ “オンチップ”光量子コンピュータへ

企業・研究所・大学との共同研究を強く希望します16

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：温度検出装置、温度センサ、温度検出方法、および温度検出プログラム• 出願番号：特願2021-032894• 出願人：量子科学技術研究開発機構、東海国立大学機構（名古屋大学）、法政大学• 発明者：佐藤 真一郎（量研）、出来 真斗（名古屋大）、
西村 智朗（法政大）• 発明の名称 ：温度センサ、温度検出装置、温度検出方法、温度検出プログラム、および温度センサの製造方法• 出願番号：特願2021-032895• 出願人：量子科学技術研究開発機構、東海国立大学機構（名古屋大学）、法政大学• 発明者：佐藤 真一郎（量研）、出来 真斗（名古屋大）、•
西村 智朗（法政大）
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お問い合わせ先
量子科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いいたします。
TEL 043－206－3146（共同研究）
043－206－3027（ライセンス）
FAX 043－206－4061
e-mail innov-prom1＠qst.go.jp（共同研究）
chizai＠qst.go.jp（ライセンス）

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