ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人東京工業大学
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-23
(45)【発行日】2024-05-02
(54)【発明の名称】集積回路及びセンサシステム
(51)【国際特許分類】
G01R 33/26 20060101AFI20240424BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20240424BHJP
G01R 33/12 20060101ALI20240424BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20240424BHJP
G02B 6/124 20060101ALI20240424BHJP
G02B 6/34 20060101ALI20240424BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20240424BHJP
【ＦＩ】
G01R33/26
G01R33/02 A
G01R33/02 R
G01R33/12 Z
G02B6/12 301
G02B6/124
G02B6/34
G02B6/42
【請求項の数】
27
(21)【出願番号】P 2020546233
(86)(22)【出願日】2019-09-13
(86)【国際出願番号】 JP2019036193
(87)【国際公開番号】W WO2020054860
(87)【国際公開日】2020-03-19
【審査請求日】2022-08-16
(31)【優先権主張番号】P 2018172948
(32)【優先日】2018-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）、「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」、「炭素系ナノエレクトロニクスに基づく革新的な生体磁気計測システムの創出」、「ダイヤモンドデバイス及びセンサ微弱信号検出技術」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】波多野 睦子
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 孝之
(72)【発明者】
【氏名】西山 伸彦
(72)【発明者】
【氏名】増山 雄太
(72)【発明者】
【氏名】室岡 拓也
【審査官】田口 孝明
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１６２９１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２０２９５２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－２０５９５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１４５６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１７７４９０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２４７０４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５２９２６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２８９６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第５２４３１９９（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／０１３１７８７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／３２８９６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】HATANO, Mutsuko et al.，Diamond Electronics，2016 46th Europian solid-state device research conference，IEEE，2016年09月12日，330 - 332
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上のワイドバンド半導体からなり、Ｐ型半導体（Ｐ）及びＮ型半導体（Ｎ）と、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の間に設けられ前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体よりも不純物濃度が低い半導体（Ｉ）であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜とを備えたＰＩＮダイオードと、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、
前記薄膜を励起させる励起部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記ＰＩＮダイオードの電流の変化を前記薄膜の導電率の変化とみなして検出する検出部の一部を構成する回路であって、前記ＰＩＮダイオードの電流の電気信号を出力する回路と、
を有することを特徴とする集積回路。
【請求項2】
前記薄膜は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合欠陥（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜であること
を特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項3】
前記検出部は、前記ＰＩＮダイオードの端子間の電流として検出すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路。
【請求項4】
前記検出部は、前記ＰＩＮダイオードの端子間にゼロ又は逆方向バイアスに電圧を印加して検出すること
を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項5】
前記励起部は、前記薄膜に対して励起光を照射して電子を励起させること
を特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項6】
前記励起部は、前記ＰＩＮダイオードの端子間に順方向バイアスに電圧を印加して電子を励起させること
を特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項7】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が前記薄膜を挟むように、同一面上に前記Ｐ型半導体、前記薄膜及び前記Ｎ型半導体が並んで配置されていること
を特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項8】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記薄膜上に前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が間隔を置いて配置されていること
を特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項9】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記薄膜上に前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が間隔を置いて配置されており、
前記ＰＩＮダイオードは、
逆方向バイアスに電圧が印加されたときに前記薄膜が空乏化してアバランシェ降伏が起こるように、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体との間隔、及び前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体と前記薄膜の不純物濃度が設計されていること
を特徴とする請求項４に記載の集積回路。
【請求項10】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上のワイドバンド半導体からなり、Ｐ型半導体（Ｐ）及びＮ型半導体（Ｎ）と、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の間に設けられ前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体よりも不純物濃度が低い半導体（Ｉ）であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜とを備えたＰＩＮダイオードと、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、
前記薄膜を励起させる励起部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを検出する回路の一部を構成する検出部とを備え、
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、
前記薄膜及び前記Ｎ型半導体の間に設けられた第２のＰ型半導体をさらに備えて、結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥が含まれる領域と逆方向バイアスの電圧の印加によりキャリアが増大する領域とを分離するリーチスルー構造を有すること
を特徴とする集積回路。
【請求項11】
前記ＰＩＮダイオードは、逆方向バイアスに電圧が印加されたときに前記薄膜が空乏化してアバランシェ降伏が起こるように、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体との間隔、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体と前記薄膜の不純物濃度、及び前記第２のＰ型半導体の不純物濃度が設計されていること
を特徴とする請求項１０に記載の集積回路。
【請求項12】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記薄膜上に前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が間隔を置いて配置されていること
を特徴とする請求項１０に記載の集積回路。
【請求項13】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記Ｐ型半導体上に前記薄膜が配置されており、前記薄膜上に前記Ｎ型半導体が配置されていること
を特徴とする請求項１０に記載の集積回路。
【請求項14】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜と、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、
前記薄膜を励起させる励起部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを検出する検出部とを有し、
前記励起部は、
光を通すクラッド層に挟まれて光を通すコア層を備えた導波路を介して、外部から入射される励起光を前記薄膜に照射し、
前記クラッド層は、
前記コア層と前記薄膜との間に挟まれた領域の厚さが、励起光の導光方向に進むにつれて徐々に薄くなるように形成されていること
を特徴とする集積回路。
【請求項15】
前記薄膜は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合欠陥（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜であること
を特徴とする請求項１４に記載の集積回路。
【請求項16】
前記コア層は、前記薄膜に向けて励起光を回折させるように、回折格子が形成されていること
を特徴とする請求項１４又は１５に記載の集積回路。
【請求項17】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜と、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、
前記薄膜を励起させる励起部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを検出する検出部とを有し、
前記励起部は、
光を通すクラッド層に挟まれて光を通すコア層を備えた導波路を介して、外部から入射される励起光を前記薄膜に照射し、
前記コア層は、
前記薄膜に向けて励起光を回折させるように、回折格子が形成されていること
を特徴とする集積回路。
【請求項18】
前記薄膜は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合欠陥（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜であること
を特徴とする請求項１７に記載の集積回路。
【請求項19】
前記回折格子は、励起光の導光方向に進むにつれて周期が短くなるように形成されていること
を特徴とする請求項１６～１８のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項20】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜と、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、
前記薄膜を励起させる励起部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを検出する検出部とを有し、
前記薄膜は、
約１０～１５％の希ガスを含む混合気を用いた化学気相成長により形成されていること
を特徴とする集積回路。
【請求項21】
前記薄膜は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合欠陥（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜であること
を特徴とする請求項２０に記載の集積回路。
【請求項22】
前記希ガスは、アルゴンガスであること
を特徴とする請求項２０又は２１に記載の集積回路。
【請求項23】
前記薄膜は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合欠陥（ＮＶセンタ）を含むダイヤモンド、若しくはＳｉＶ、ＳｎＶ、ＰｂＶ、ＧｅＶを含むダイヤモンド、若しくは結晶に原子の空孔があるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、又は酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）であること
を特徴とする請求項１～２２のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項24】
バンドギャップが２．２ｅＶ以上のワイドバンド半導体からなり、Ｐ型半導体（Ｐ）及びＮ型半導体（Ｎ）と、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の間に設けられ前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体よりも不純物濃度が低い半導体（Ｉ）であって結晶に不純物原子と空孔の複合欠陥を含む薄膜とを備えたＰＩＮダイオードを有する集積回路と、前記薄膜に対して照射するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
前記薄膜を励起させるように駆動する励起駆動部と、
励起状態から基底状態に遷移するときに前記ＰＩＮダイオードの電流の変化を前記薄膜の導電率の変化とみなして検出する検出部とを備え、
前記集積回路は、
前記薄膜に対して前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射系、前記薄膜を励起させる励起部、及び、前記検出部の一部を構成して前記ＰＩＮダイオードの電流の電気信号を出力する回路が集積されていること
を特徴とするセンサシステム。
【請求項25】
複数の前記集積回路を備え、複数の前記集積回路は、
計測対象の表面又は深さ方向にアレイ状に配置可能にされていること
を特徴とする請求項２４に記載のセンサシステム。
【請求項26】
請求項１～２３のいずれか１項に記載の集積回路を複数備え、複数の前記集積回路は、
計測対象の表面又は深さ方向にアレイ状に配置可能にされていること
を特徴とするセンサシステム。
【請求項27】
前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体は、前記Ｐ型半導体上に前記薄膜が配置されており、前記薄膜上に前記Ｎ型半導体が配置されていること
を特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集積回路及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンドのＮＶ（Nitrogen-Vacancy）センタによる光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）を用いて、半導体装置内部の磁場、電界や温度等のパラメータを測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１６２９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ダイヤモンドのＮＶセンタを利用して測定される磁場等の感度を上げるには、例えば、ダイヤモンド中に生成されるＮＶセンタの生成率を向上させる必要がある。従来では、ＮＶセンタの生成率は、０．４パーセントから１パーセント未満程度である（例えば、Ozawa et al., "Formation of perfectly aligned nitrogen-vacancy-center ensembles in chemical-vapor-deposition-grown diamond", Applied Physics Express 10, 045501, 2017等参照）。
【0005】
また、磁場等の検出感度を上げられたセンサシステムは、小型化されると生体やデバイスなどへの応用範囲がより広げられると考えられている。しかしながら、従来は、ダイヤモンドＮＶセンタなどの量子状態を利用したセンサシステムを小型化することは困難であるという問題があった。
【0006】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁場等の検出感度を上げつつ小型化を可能にする集積回路及びセンサシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る集積回路は、バンドギャップが２．２ｅＶ以上であって結晶に原子の空孔と電子を含む薄膜と、外部からの駆動に応じて、前記薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、外部からの駆動に応じて、前記薄膜に含まれる電子を励起させる励起部と、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び励起に基づく前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを電気信号として検出する検出部とを有することを特徴とする。
【0008】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合体（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜と、外部からの駆動に応じて、前記ダイヤモンド膜からなる薄膜に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射系と、外部からの駆動に応じて、前記薄膜に含まれる電子を励起させる励起部と、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び励起に基づく前記ダイヤモンド膜の導電率の変化の少なくともいずれかを電気信号として検出する検出部とを有することを特徴とする。
【0009】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記検出部が、前記薄膜から出力される光を電気信号に変換する光電変換素子であることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記検出部が、前記薄膜の導電率の変化を電気信号として検出する電気回路であることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記検出部が、前記薄膜を挟むように設けられたＰ型半導体及びＮ型半導体を備えて電子を検出することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記励起部が、前記薄膜を挟むように設けられたＰ型半導体及びＮ型半導体を備えて電子を励起状態とすることを特徴とする。
【0013】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記薄膜、前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が、ＰＩＮダイオードを構成することを特徴とする。
【0014】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記励起部が、光を通すクラッド層に挟まれて光を通すコア層を備えた導波路を介して、外部から入射される励起光を前記薄膜に照射することを特徴とする。
【0015】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記クラッド層が、前記コア層と前記薄膜との間に挟まれた領域の厚さが、外部から入射される励起光の導光方向に進むにつれて徐々に薄くなるように形成されていることを特徴とする。
【0016】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記コア層が、前記薄膜に向けて励起光を回折させるように、回折格子が形成されていることを特徴とする。
【0017】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記回折格子が、外部から入射される励起光の導光方向に進むにつれて周期が短くなるように形成されていることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記薄膜が、ＮＶセンタを含むダイヤモンド、若しくは結晶に原子の空孔があるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、又は酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）であることを特徴とする。
【0019】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記薄膜が、約１０～１５％の希ガスを含む混合気を用いた化学気相成長により形成されていることを特徴とする。
【0020】
また、本発明の一態様に係る集積回路は、前記希ガスが、アルゴンガスであることを特徴とする。
【0021】
また、本発明の一態様に係るセンサシステムは、バンドギャップが２．２ｅＶ以上であって結晶に原子の空孔と電子を含む薄膜を備えた集積回路と、前記薄膜に対して照射するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記薄膜に含まれる電子を励起させるように駆動する励起駆動部と、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度、及び励起に基づく前記薄膜の導電率の変化の少なくともいずれかを電気信号として検出する検出回路とを有し、前記集積回路は、外部からの駆動に応じて前記薄膜に対して前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射系、外部からの駆動に応じて前記薄膜に含まれる電子を励起させる励起部、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記薄膜から出力される光の強度を電気信号として検出する光電変換素子、及び励起に基づく前記薄膜の導電率の変化を電気信号として検出する電気回路の少なくともいずれかが集積されていることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の一態様に係るセンサシステムは、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と該窒素に隣接する空孔（Ｖ）の複合体（ＮＶセンタ）を含む領域を備えたダイヤモンド膜を備えた集積回路と、前記ダイヤモンド膜に対して照射するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記ダイヤモンド膜に含まれる電子を励起させるように駆動する励起駆動部と、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記ダイヤモンド膜から出力される光の強度、及び励起に基づく前記ダイヤモンド膜の導電率の変化の少なくともいずれかを電気信号として検出する検出回路とを有し、前記集積回路は、外部からの駆動に応じて前記ダイヤモンド膜に対して前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射系、外部からの駆動に応じて前記ダイヤモンド膜に含まれる電子を励起させる励起部、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに前記ダイヤモンド膜から出力される光の強度を電気信号として検出する光電変換素子、及び励起に基づく前記ダイヤモンド膜の導電率の変化を電気信号として検出する電気回路の少なくともいずれかが集積されていることを特徴とする。
【0023】
また、本発明の一態様に係るセンサシステムは、複数の前記集積回路を備え、複数の前記集積回路は、計測対象の表面にアレイ状に配置可能にされていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】一実施形態に係るセンサシステムの構成例を模式的に示す図である。
【図2】（ａ）はプローブの第１変形例を示す図である。（ｂ）はプローブの第２変形例を示す図である。（ｃ）はプローブの第３変形例を示す図である。
【図3】一実施形態に係る集積回路の構成例を模式的に示す図である。
【図4】（ａ）は、ダイヤモンド半導体及び検出部を模式的に示す斜視図である。（ｂ）は、ダイヤモンド半導体及び検出部の断面を模式的に示す図である。
【図5】（ａ）は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドの結晶格子を示す図である。（ｂ）は、ＮＶセンタが有するエネルギー準位を示す図である。
【図6】アルゴンの割合に応じたダイヤモンドのＮＶセンタの成長速度と生成率との関係を例示するグラフである。
【図7】（ａ）は、薄膜のＮＶセンタに磁場がない場合を示す図である。（ｂ）は、薄膜のＮＶセンタに磁場がある場合を示す図である。
【図9】ダイヤモンド半導体の第１変形例の断面を模式的に示す図である。
【図10】ダイヤモンド半導体におけるアバランシェ降伏による電流の増倍を示すグラフである。
【図11】アバランシェ増幅の過程を示す図である。
【図12】ダイヤモンド半導体の第２変形例の断面を模式的に示す図である。
【図13】ＮＶセンタの形成領域とキャリアの倍増領域とを分離したリーチスルー構造を示す図である。
【図14】ダイヤモンド半導体の第３変形例の断面を模式的に示す図である。
【図15】ダイヤモンド半導体の第４変形例の断面を模式的に示す図である。
【図16】ダイヤモンド半導体の変形例などによる電気検出磁気共鳴特性を例示するグラフである。
【図17】一実施形態に係る集積回路の変形例における薄膜及び検出部の周辺の構成例を模式的に示す図である。
【図18】（ａ）は、図１７に示した薄膜及び検出部の周辺のＡ－Ａ線断面を模式的に示した図である。（ｂ）は、図１７に示した薄膜及び検出部の周辺のＢ－Ｂ線断面を模式的に示した図である。（ｃ）は、（ｂ）に示した一点鎖線で囲まれた領域を拡大して模式的に示した図である。
【図19】センサシステムの他の構成例を模式的に示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下に、図面を用いてセンサシステム１の一実施形態を詳細に説明する。
【0026】
図１は、一実施形態に係るセンサシステム１の構成例を模式的に示す図である。図１に示すように、センサシステム１は、プローブ２、入力部１０、出力部１２及び制御部１４を有する。そして、センサシステム１は、プローブ２を用いて、標的Ｈなどの磁場、電場、及び温度等を高感度で計測することができる固体量子センサシステムとなっている。
【0027】
具体的には、入力部１０は、センサシステム１に対するユーザの操作入力を受け入れる入力装置である。出力部１２は、センサシステム１が計測した結果などを表示などによって出力する出力装置である。制御部１４は、ＣＰＵ１４０及びメモリ１４２を有し、センサシステム１を構成する各部の駆動及び制御を行う。
【0028】
また、プローブ２は、例えば集積回路３、光源２０、及び検出器２２が内部に設けられている。集積回路３は、例えばダイヤモンド半導体３０及びマイクロ波照射系３２を有する。
【0029】
ダイヤモンド半導体３０は、例えばＮＶセンタ（窒素－空孔中心）が含まれたいわゆるダイヤモンドセンサである。ＮＶセンタとは、ダイヤモンド結晶中の炭素が窒素で置換され、隣接する位置に空孔がある複合欠陥であり、ＮＶセンタが電子一つを捕獲すると、電子スピンの磁気的な性質を示す。
【0030】
マイクロ波照射系３２は、例えばシリコン基板に形成されており、制御部１４による駆動及び制御に応じた周波数のマイクロ波をダイヤモンド半導体３０に対して照射する。
【0031】
また、集積回路３は、ダイヤモンド半導体３０及びマイクロ波照射系３２がそれぞれ個別に形成されてハイブリッド集積回路として構成されてもよいし、ダイヤモンド半導体３０及びマイクロ波照射系３２がモノリシック集積回路として一体に形成されたものであってもよい。
【0032】
光源２０は、例えばレーザ光源、又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）などである。光源２０は、例えば光ファイバ２００などを介し、励起光としての緑色光をダイヤモンド半導体３０に対して照射する。ダイヤモンド半導体３０は、緑色光が照射されると、ＮＶセンタを含む領域が赤色光を発する。
【0033】
検出器２２は、例えばＰＤ（photodiode）やＡＰＤ（avalanche photodiode）などの光電変換素子である。検出器２２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Sensor）等のイメージングセンサでもよい。また、検出器２２は、例えば光ファイバ２２２などを介して、ダイヤモンド半導体３０が発した赤色光を受光し、受光した赤色光の強度に応じた電気信号を制御部１４に対して出力する。さらに、検出器２２は、光又は電気などの変化を検出する検出回路を構成してもよい。
【0034】
そして、マイクロ波照射系３２は、制御部１４による駆動及び制御によってダイヤモンド半導体３０のＮＶセンタを含む領域に照射するマイクロ波の周波数を掃引させることができるようにマイクロ波生成部を構成する。また、マイクロ波照射系３２が照射するマイクロ波は、例えば時間的に連続する連続波である。マイクロ波照射系３２は、パルス状のマイクロ波を決められた時間間隔で複数回照射するように、高性能化が図られてもよい。また、光源２０は、制御部１４による駆動及び制御によってダイヤモンド半導体３０のＮＶセンタを含む領域に含まれる不対電子を励起させる励起駆動部を構成する。
【0035】
すなわち、センサシステム１は、マイクロ波と緑色光とをダイヤモンド半導体３０に対して同時に照射し、磁気共鳴させるマイクロ波の周波数により変化するダイヤモンド半導体３０の蛍光（赤色光）の強度変化を検出器２２によって検出することにより、磁場等を計測する。
【0036】
次に、プローブ２の変形例について説明する。
【0037】
図２は、プローブ２の変形例を模式的に示す図である。図２（ａ）はプローブ２の第１変形例（プローブ２ａ）を示し、図２（ｂ）はプローブ２の第２変形例（プローブ２ｂ）を示し、図２（ｃ）はプローブ２の第３変形例（プローブ２ｃ）を示している。以下、図１に示したセンサシステム１の構成と実質的に同一の構成には同一の符号が付してある。
【0038】
図２（ａ）に示すように、プローブ２ａは、例えば集積回路３ａ及び光源２０を有する。集積回路３ａは、例えば集積回路３（図１参照）に対し、ダイヤモンド半導体３０が発する赤色光を受光する光電変換素子がさらに集積された構成となっている。よって、プローブ２ａは、図１に示したプローブ２に相当する機能を備え、プローブ２よりも小型化されている。
【0039】
図２（ｂ）に示すように、プローブ２ｂは、例えば集積回路３ｂ及び検出器２２を有する。集積回路３ｂは、例えば集積回路３に対し、ダイヤモンド半導体３０のＮＶセンタを含む領域で電子を励起させる構成（図４等参照）がさらに集積されている。よって、プローブ２ｂは、図１に示したプローブ２に相当する機能を備え、プローブ２よりも小型化されている。
【0040】
図２（ｃ）に示すように、プローブ２ｃは、例えば集積回路４を有する。集積回路４は、例えば集積回路３に対し、ダイヤモンド半導体３０のＮＶセンタを含む領域で電子を励起させる構成と、ダイヤモンド半導体３０が発する赤色光を受光する光電変換素子とが集積されている。また、集積回路４は、ダイヤモンド半導体３０のＮＶセンタを含む領域で電子が励起状態から基底状態に遷移するときの集積回路４における所定位置の導電率を電気信号として検出する電気回路が集積されていてもよい。よって、プローブ２ｃは、図１に示したプローブ２に相当する機能を備え、プローブ２ａやプローブ２ｂよりも小型化されている。
【0041】
次に、図２（ｃ）に示した集積回路４の構成例について、より具体的に説明する。
【0042】
図３は、一実施形態に係る集積回路４の構成例を模式的に示す図である。図３に示すように、集積回路４は、例えばシリコン基板４０に対し、ダイヤモンド半導体４２ａ、マイクロ波照射系４４及び検出部４６が積層されて形成されているモノリシック集積回路である。このような構造は、各層の貼り合わせによる実装、あるいはシリコン基板上へのダイヤモンド膜のヘテロエピタキシャル成長により形成することができる。また、図４は、集積回路４に形成されたダイヤモンド半導体４２ａと検出部４６との関係を示す図である。図４（ａ）は、ダイヤモンド半導体４２ａ及び検出部４６を模式的に示す斜視図であり、図４（ｂ）は、ダイヤモンド半導体４２ａ及び検出部４６の断面を模式的に示す図である。
【0043】
ダイヤモンド半導体４２ａは、真性半導体（ｉ型半導体）であってＮＶセンタを含む薄膜４２０ａと、薄膜４２０ａを挟むように設けられたＰ型半導体４２２ａ及びＮ型半導体４２４ａとを有する。薄膜４２０ａは、Ｎ型又はＰ型の不純物濃度が小さいダイヤモンド膜であってＮＶセンタを含むように構成されてもよい。Ｐ型半導体４２２ａは、ダイヤモンドにホウ素等の不純物がドープされた半導体であり、金属の電極４２６ａが設けられている。Ｎ型半導体４２４ａは、ダイヤモンドにリン等の不純物がドープされた半導体であり、金属の電極４２８ａが設けられている。つまり、ダイヤモンド半導体４２ａは、ダイヤモンドで形成されたＰＩＮ（p-intrinsic-n）ダイオードとなっている。
【0044】
Ｐ型及びＮ型の不純物濃度は、個数濃度を１０１６～１０２０ｃｍ－３の範囲内に設定されることが望ましい。また、ｉ層は、個数濃度を１０１７ｃｍ－３以下に設定され、より望ましくは個数濃度を１０１５ｃｍ－３以下に設定される。
【0045】
電極４２６ａ及び電極４２８ａは、図示しない外部電源から供給される電圧を制御部１４（図１）の制御に応じてダイヤモンド半導体４２ａに印加する。上述したように、ダイヤモンド半導体４２ａは、ＰＩＮダイオードとなっており、制御部１４の制御に応じて、順方向及び逆方向に電圧が印加される。ダイヤモンド半導体４２ａは、順方向に電圧を印加されることにより、内部の電子が励起される。さらに、ＰＩＮダイオードを用いて、電子スピンの初期化を行うこともできる。また、ダイヤモンド半導体４２ａは、逆方向に電圧を印加されることにより、内部の電荷（電子）を検出することができる。
【0046】
なお、薄膜４２０ａは、メタン、水素、及び窒素を含むガスを用いた化学蒸着処理（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）により形成されたＮＶセンタを含むダイヤモンドである。ここで、アルゴン等の希ガスが所定の濃度で混合されたガスが用いられると、ＮＶセンタの生成率が向上する効果がある。なお、希ガスは、アルゴンに限定されることなく、例えばキセノン、クリプトン又はヘリウム等であってもよい。
【0047】
マイクロ波照射系４４は、マイクロ波発生回路４４０及びアンテナ４４２を有する。マイクロ波発生回路４４０は、制御部１４による駆動及び制御によって所定の周波数のマイクロ波を発生させる。アンテナ４４２は、Ｘ方向に延びて対向する２枚の板状部を備えたＵ字状の共振器型アンテナであり、マイクロ波発生回路４４０が発生させたマイクロ波をダイヤモンド半導体４２ａに照射する。アンテナ４４２は、他の形状に形成されてダイヤモンド半導体４２ａにマイクロ波を照射してもよい。そして、マイクロ波照射系４４は、制御部１４の制御に応じて、薄膜４２０ａに含まれる不対電子を電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）の状態にする。
【0048】
検出部４６は、例えばＰＤ（photodiode）、ＡＰＤ（avalanche photodiode）、ＣＭＯＳセンサ、又はＣＣＤイメージセンサなどの光電変換素子がシリコン基板４０に形成され、ダイヤモンド半導体４２ａが積層される。検出部４６は、ＡＰＤ（avalanche photodiode）などが二次元に配列されていてもよい。具体的には、検出部４６は、例えば複数の受光部４６０が二次元に配列されている。受光部４６０それぞれは、薄膜４２０ａが発する蛍光をＸＹ平面上の各位置で受光し、各位置での蛍光の強度を制御部１４に対して出力する。
【0049】
集積回路４は、ダイヤモンド半導体４２ａに対して順方向に電圧が印加されると、薄膜４２０ａに含まれる緑色光によって励起された不対電子と同等のエネルギーの電子が薄膜４２０ａに注入される。つまり、薄膜４２０ａ内で電子が電気的に励起される。そして、薄膜４２０ａ内で励起状態にあった電子が基底状態に遷移するときに薄膜４２０ａが発した赤色光を検出部４６が検出する。このように、集積回路４は、薄膜４２０ａ内で電子が電気的に励起され、赤色光の強度の変化を検出部４６が光によって検出する。
【0050】
なお、集積回路４は、ＰＩＮダイオードを構成するダイヤモンド半導体４２ａにおいて薄膜４２０ａの導電率、又はＰＩＮダイオードの電流の変化を検出することができるように構成されてもよい。すなわち、ダイヤモンド半導体４２ａは、ダイヤモンド膜の導電率又はＰＩＮダイオードの電流の変化を、マイクロ波の周波数の変化に応じて変化する導電率を示す電気信号とみなして検出する検出部の一部の電気回路としての機能を兼ね備え、電気信号を制御部１４に対して出力してもよい。また、集積回路４は、ダイヤモンド半導体４２ａが励起部としての機能と検出部としての機能を兼ね備え、薄膜４２０ａ内で電子を電気的に励起させ、電子が励起状態から基底状態に遷移するときの変化を電気的に検出してもよい。この場合、ＰＩＮダイオードを構成するダイヤモンド半導体４２ａは、順方向に電圧を印加されると電子スピンを励起させ、逆方向に電圧を印加されると検出性能が向上する。
【0051】
また、検出部４６が、薄膜４２０ａの導電率の変化を、マイクロ波の周波数の変化に応じて変化する導電率を示す電気信号とみなして検出する電気回路として構成され、電気信号を制御部１４に対して出力してもよい。この場合、集積回路４は、薄膜４２０ａ内で電子が電気的に励起され、その変化を検出部４６が電気的に検出する。
【0052】
次に、薄膜４２０ａに含まれるＮＶセンタ、及び薄膜４２０ａの製造方法について詳述する。
【0053】
図５は、図３，４に示した薄膜４２０ａに含まれるダイヤモンドのＮＶセンタの一例を示す図である。図５（ａ）は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドの結晶格子を示し、図５（ｂ）は、ＮＶセンタが有するエネルギー準位を示している。
【0054】
図５（ａ）に示すように、ＮＶセンタは、ダイヤモンドの結晶格子のうち、一部の炭素Ｃが、網掛けで示した窒素Ｎに置換されている。また、置換された窒素Ｎに隣接する１つの炭素Ｃの位置が、点線で示した空孔Ｖとなっている。すなわち、ＮＶセンタは、隣接する窒素Ｎと空孔Ｖとが対となって存在する複合欠陥である。電子を１個捕獲した”ＮＶ－”は、スピン量子数Ｓ＝１であり、磁気量子数ｍｓ＝－１，０，＋１のスピン３重項状態を形成する。
【0055】
図５（ｂ）に示すように、ＮＶセンタの電子スピンは、基底状態のスピン三重項３Ａ、励起状態のスピン三重項３Ｅ、及びスピン三重項３Ａとスピン三重項３Ｅとの間に、準安定状態のスピン一重項１Ａ１のエネルギー準位を有する。そして、ＮＶセンタは、外部から電界や磁界が印加されていない場合、波長が約４９５～５７０ｎｍ（緑色光）である励起光によって電子スピンが励起された後に、電子スピンが励起状態から基底状態に戻るときに波長が約６３０～８００ｎｍの蛍光（赤色光）を発する。
【0056】
基底状態のスピン三重項３Ａ及び励起状態のスピン三重項３Ｅは、スピン副準位ｍｓが０と±１とに分裂している。外部から基底状態のスピン三重項３Ａのエネルギー準位差に等しい周波数のマイクロ波がＮＶセンタに照射される場合、ＥＳＲの状態となる。この場合、スピン副準位ｍｓが±１の電子の一部は、励起状態に励起されたとしても、準安定状態を介して基底状態に無放射で遷移してしまう。このため、ＮＶセンタによる蛍光の強度が減少してしまう。換言すれば、蛍光の強度とマイクロ波の周波数との分布、すなわちＯＤＭＲのスペクトル信号を求めることにより、スピン副準位ｍｓが０と±１とであるときのエネルギー準位差を測定できる。ここで、ｍｓ＝±１は外部磁場強度に比例してゼーマン分裂するため、赤色光輝度の低下点の周波数から外部磁場を検出できる。
【0057】
なお、外部から電界や磁界がＮＶセンタに印加されていない場合におけるスピン副準位ｍｓが０と±１とであるときときのエネルギー準位差は、２．８７ＧＨｚの周波数に相当する。よって、薄膜４２０ａのＮＶセンタをＥＳＲの状態にするために、マイクロ波照射系４４（図３）が射出するマイクロ波の中心周波数は、２．８７ＧＨｚに設定される。
【0058】
また、固体量子センサには、ダイヤモンドの代わりに、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、窒化ボロン（ＢＮ）等が用いられてもよい。なお、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）のバンドギャップは２．２０～３．０２ｅＶであり、ダイヤモンドのバンドギャップは５．７４ｅＶであり、これらはワイドバンド半導体とされている。
【0059】
固体量子センサにシリコンカーバイドが用いられる場合、シリコンが欠損して空孔が設けられた欠陥格子を、ダイヤモンドのＮＶセンタのように薄膜４２０ａとして用いてもよい。例えば、シリコンカーバイドに電子線の照射やイオン注入等を行うことにより、シリコンＳｉの原子を弾き飛ばして、シリコンの空孔の欠陥格子を生成する。すなわち、固体量子センサには、ダイヤモンドのＮＶセンタに替えて、ＳｉＶ、ＳｎＶ、ＰｂＶ、ＧｅＶなどの他の複合体が利用されてもよい。
【0060】
なお、薄膜４２０ａの磁場の測定感度は、式（１）のように表される。
【0061】
【数1】
【0062】
ηは、磁場の測定感度を示し、Ｃ１はコントラストを示し、Ｎ１はＮＶセンタの密度を示す。また、Ｖは体積を示し、Ｔ２はスピンコヒーレンス時間を示す。式（１）が示すように、集積回路４の磁場の測定感度を向上させるためには、薄膜４２０ａに生成されるＮＶセンタの密度を増加させることが求められる。しかしながら、従来では、ＮＶセンタの生成率は、０．４パーセントから１パーセント未満程度である。そこで、発明者らは、ＮＶセンタの生成率を向上させるために、従来のメタン、窒素及び炭素とともにアルゴンなどの希ガスを加えた混合気を用いることにより、メタンの分解が促進され、ガス中の炭素や窒素等のラジカルなイオンが増加することにより、ＮＶセンタの生成率が増加することを見いだした。
【0063】
図６は、アルゴンの割合に応じたダイヤモンドのＮＶセンタの成長速度と生成率との関係を例示するグラフである。図６の縦軸はＮＶ生成率を示し、横軸は生成速度を示す。また、黒色の点は、アルゴンの割合が５パーセント、１０パーセント、１５パーセント及び３０パーセントの場合のＮＶ生成率及び生成速度を示す。白色の点は、Ozawa et al., "Formation of perfectly aligned nitrogen-vacancy-center ensembles in chemical-vapor-deposition-grown diamond", Applied Physics Express 10, 045501, 2017におけるＮＶ生成率及び生成速度を、従来例として示す。すなわち、従来のＮＶ生成率は０．４パーセントであり、生成速度は０．５μｍ／ｈである。なお、図６に示したＮＶ生成率及び生成速度は、ＣＶＤを行う時間を２時間にした場合の結果である。
【0064】
図６に示すように、薄膜４２０ａを生成するＣＶＤにおいて、アルゴンの割合が５パーセント以上、好ましくは１０パーセントから１５パーセントに設定された場合、ダイヤモンドのＮＶセンタの生成率及び生成速度は、従来（白色の点）に比べて増加する。すなわち、アルゴンの割合が１５パーセントの場合、ＮＶ生成率は、約３パーセントとなり、従来に比べて８倍程度向上する。また、生成速度は、８μｍ／ｈとなり、従来に比べて１６倍向上する。これは、薄膜４２０ａの測定感度が従来に比べて１１倍向上することを示す。
【0065】
なお、アルゴンの割合が１５パーセントの場合、薄膜４２０ａを生成するＣＶＤの条件は、例えば、ガスの総流量が１００ｓｃｃｍ等に設定されたとき、メタンＣＨ４の割合が０．４パーセント、炭素Ｃに対する窒素Ｎの比が０．８、マイクロ波照射エネルギーが５２０Ｗ、温度が９５０°Ｃ及び圧力が３０ｋＰａに設定される。
【0066】
また、アルゴンの割合が３０パーセントの場合、図６に示すように、過剰なアルゴンの影響により、ダイヤモンドの結晶性が低下し、ＮＶ生成率が低下する。
【0067】
図７は、図３，４に示した薄膜４２０ａのＮＶセンタが発する蛍光の強度の周波数依存性を例示するグラフである。図７では、マイクロ波照射系４４（図３）が、２．８７ＧＨｚを中心周波数とする所定範囲の周波数のマイクロ波を集積回路４の薄膜４２０ａに含まれるＮＶセンタに照射した場合に、ＮＶセンタが発する蛍光の強度、すなわちＯＤＭＲの信号の強度分布が示されている。なお、図７（ａ）は、薄膜４２０ａのＮＶセンタに磁場がない場合を示し、図７（ｂ）は、薄膜４２０ａのＮＶセンタに磁場がある場合を示している。また、図７の横軸はマイクロ波の周波数を示し、縦軸は蛍光の強度を示している。
【0068】
図７（ａ）に示すように、ＮＶセンタに磁場がない場合、すなわち±１のスピン副準位ｍｓが縮退している場合、蛍光の強度は、２．８７ＧＨｚの周波数（スピン副準位ｍｓが０と±１とであるときのエネルギー準位差）の位置で最も小さくなる。
【0069】
一方、ＮＶセンタに磁場がある場合、スピン副準位ｍｓが－１と＋１との間でさらに分裂する。このため、図７（ｂ）に示すように、蛍光の強度は、スピン副準位ｍｓが０と－１との間のエネルギー準位差と、スピン副準位ｍｓが０と＋１との間のエネルギー準位差とに対応する２つの周波数の位置で最も小さくなる。そして、磁場が大きくなるに従い、スピン副準位ｍｓが－１と＋１との間でエネルギー準位差が大きくなるため、蛍光の強度が小さくなる２つの周波数の間隔は大きくなる。例えば、センサシステム１（図１）の制御部１４は、検出器２２や検出部４６（図３）を介して検出された２つの周波数の間隔と、式（２）（L. Rondin et al., "Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond", Rep. Prog. Phys., Vol. 77, 056503, 2014参照）とを用いて、薄膜４２０ａにより検出された磁場の大きさを測定する。
【0070】
ν±＝Ｄ＋ｇμＢＢＮＶ／ｈ ・・・（２）
【0071】
ν±は、発光強度が最小になる周波数を示し、ＢＮＶは、ＮＶセンタにおける磁場を示す。μＢは、ボーア磁子を示し、ｇは、ランデのｇ因子を示し、ｈは、プランク定数を示す。Ｄは、約２．８７ＧＨｚである。
【0072】
なお、センサシステム１の制御部１４は、検出部４６を介して検出された２つの周波数の間隔や共鳴周波数の変化を用いて、電界を測定してもよい。また、センサシステム１の制御部１４は、磁場や電界の代わりに、薄膜４２０ａが発する蛍光の強度から温度等を測定してもよい。
【0073】
なお、図５に示したように、炭素Ｃが共有結合する方向は４つある。このため、薄膜４２０ａに生成されるＮＶセンタの方向は４つのいずれかの方向になる。そして、薄膜４２０ａが所定の測定感度を有するには、例えば、図３，４の場合において、薄膜４２０ａが所定の測定感度を有するようにするためには、Ｚ軸方向にＮＶセンタが揃うことが望ましい。なお、ＮＶセンタが同じ方向に揃う割合は、“ＮＶ配向率”と称される。ＮＶ配向率を向上させるためには、薄膜４２０ａ、すなわちダイヤモンドの面方位は｛１１１｝面であることが好ましい。全てのＮＶセンタが同じ方向に揃えられ、ＮＶ配向率を１００パーセントにすることが、測定感度の高感度化のために有効である。一方、薄膜４２０ａは、従来に比べて１６倍速く生成されるため、全てのＮＶセンタが同じ方向に揃わないこと、すなわちＮＶ配向率が１００パーセント未満となる場合がある。
【0074】
図８は、ＮＶ配向率が８０パーセントである場合の図３，４に示した薄膜４２０ａが発する蛍光の強度の周波数依存性を例示するグラフである。図７に示した場合と同様に、図８の横軸は周波数を示し、縦軸は蛍光の強度を示している。また、図８では、図７（ｂ）に示した場合と同様に、薄膜４２０ａのＮＶセンタに磁場がある場合が示されている。
【0075】
図８に示したように、蛍光の強度は、図７（ｂ）に示した場合と同様に、スピン副準位ｍｓが０と－１との間のエネルギー準位差と、スピン副準位ｍｓが０と＋１との間のエネルギー準位差とに対応する三角印で示した２つの周波数の位置で最も小さくなる。また、図８に示すように、矢印で示した２つの周波数の位置でも蛍光の強度が小さくなる。これは、薄膜４２０ａに含まれるＮＶセンタのうち、Ｚ軸方向と異なる方向のＮＶセンタによる強度の低下を示す。しかしながら、三角印で示した２つの周波数の位置での強度変化は、矢印で示した２つの周波数の位置の強度変化に比べて大きい。このため、ＮＶ配向率が少なくとも２５パーセント超過、好ましくは５０パーセント以上、さらに好ましくは８０パーセント以上の薄膜４２０ａを用いることにより、センサシステム１（図１）は、磁場を十分な精度で測定することができる。
【0076】
次に、ダイヤモンド半導体４２ａの４つの変形例について説明する。ダイヤモンド半導体４２ａの変形例それぞれは、ダイヤモンド膜の導電率（又は電流）の変化を検出する検出部の一部の電気回路としての機能を兼ね備えている。
【0077】
また、ダイヤモンド半導体４２ａの変形例は、電子スピンの状態を上述した光の強度に代えて電気的に検出することができるので、高励起光強度であっても信号強度が飽和しない。また、電気的な検出は、上述した光学的な検出よりも高感度であると考えられる（理論予想：F.M.Hrubesch et al., Phys. Rev. Lett. 118,037601(2017)参照）。さらに、電気的な検出は、集積回路４の集積化にも寄与する。
【0078】
以下、ダイヤモンド半導体４２ａの４つの変形例について具体的に説明する。図９は、ダイヤモンド半導体４２ａの第１変形例（ダイヤモンド半導体４２ｂ）の断面を模式的に示す図である。
【0079】
ダイヤモンド半導体４２ｂは、真性半導体（ｉ型半導体）であってＮＶセンタを含む薄膜４２０ｂが絶縁基板４２１ｂ上に形成されている。薄膜４２０ｂ上には、例えば測定対象を挟むことができる位置にＰ型半導体４２２ｂ及びＮ型半導体４２４ｂを有する。
【0080】
Ｐ型半導体４２２ｂは、ダイヤモンドに例えばホウ素の不純物がドープされた半導体であり、金属の電極４２６ｂが設けられている。Ｎ型半導体４２４ｂは、ダイヤモンドに例えばリンの不純物がドープされた半導体であり、金属の電極４２８ｂが設けられている。
【0081】
ダイヤモンド半導体４２ｂは、電極４２６ｂ及び電極４２８ｂに対して外部電源から逆バイアスが印加されたときに、薄膜４２０ｂが空乏化するように、Ｐ型半導体４２２ｂとＮ型半導体４２４ｂとの間隔Ｌ、及びｉ層濃度が設計されている。
【0082】
つまり、ダイヤモンド半導体４２ｂは、ダイヤモンドで形成されたＰＩＮ（p-intrinsic-n）ダイオードとなっており、高い逆バイアスが印加されるとアバランシェ降伏による電子の増倍が起きる。
【0083】
図１０は、ダイヤモンド半導体４２ｂにおけるアバランシェ降伏による電流の増倍を示すグラフである。図１１は、アバランシェ増幅の過程を示す図である。図１０に示すように、ダイヤモンド半導体４２ｂは、印加される逆バイアスが大きくなると、電子雪崩降伏によって急に電流が流れ始める。このとき、ダイヤモンド半導体４２ｂは、光照射がある場合、図１１に示した過程によって電子雪崩を引き起こすため、光照射がない場合に降伏が起こり始める電圧よりも高い電圧で光電流が増え始める。つまり、ダイヤモンド半導体４２ｂは、アバランシェ降伏によって大きな光電流を流すことができるので、検出部としての感度が高くなる。
【0084】
また、ダイヤモンド半導体４２ｂは不純物濃度が低いため、ＮＶセンタの電子スピンの位相コヒーレンス時間を伸長させることができる。また、ダイヤモンド半導体４２ｂは、光照射がない場合の暗電流が少ないため、感度の向上にも有効である。
【0085】
なお、ダイヤモンド半導体４２ｂは、高濃度のドープ層によってコンタクト抵抗が低減されている。そして、ダイヤモンド半導体４２ｂは、励起光によって励起状態へ遷移した電子の一部を、さらに励起光によって伝導帯へ遷移させることができ、外部から光電流を取り出すことを容易にしている。また、ダイヤモンド半導体４２ｂは、マイクロ波の共鳴周波数付近で光電流が減少する。つまり、ダイヤモンド半導体４２ｂは、共鳴周波数を探索するようにマイクロ波を掃引させながら光電流を測定することによって光電流検出磁気共鳴（ＰＤＭＲ：図１６等を用いて後述）を測定することを可能にしている。
【0086】
図１２は、ダイヤモンド半導体４２ａの第２変形例（ダイヤモンド半導体４２ｃ）の断面を模式的に示す図である。
【0087】
ダイヤモンド半導体４２ｃは、上述したダイヤモンド半導体４２ｂにおける薄膜４２０ｂとＮ型半導体４２４ｂとの間にＰ型半導体４２４ｃがさらに積層された構成となっている。すなわち、ダイヤモンド半導体４２ｃは、図１３に示したＮＶセンタの形成領域とキャリアの倍増領域とを分離されたリーチスルー構造を備えている。リーチスルー構造は、ｎ＋層とｉ層の間にｐ層が挿入された構成となっており、ＮＶセンタの形成領域とキャリアの倍増領域とを分離している。そして、ダイヤモンド半導体４２ｃは、ｐ層濃度を設定されることにより、アバランシェ電圧が設計されている。
【0088】
一般に、ＮＶセンタは、アバランシェ降伏を起こさせるために高電圧が印加された場合、電荷状態に変化が生じることがある。ダイヤモンド半導体４２ｃが検出部の機能を備えるためには、ＮＶセンタが負電荷を帯びた状態であることが必要である。このために、ダイヤモンド半導体４２ｃは、リーチスルー構造を備えてＮＶセンタの形成領域と、キャリアの倍増領域となる高電界領域とを分離している（図１３）。
【0089】
図１４は、ダイヤモンド半導体４２ａの第３変形例（ダイヤモンド半導体４２ｄ）の断面を模式的に示す図である。
【0090】
ダイヤモンド半導体４２ｄは、真性半導体（ｉ型半導体）であってＮＶセンタを含む例えば厚さが５μｍの薄膜４２０ｄがｐ（１１１）基板４２７ｄ上に形成されている。ｐ（１１１）基板４２７ｄは、例えばホウ素の不純物がドープされており、例えば厚さが５００μｍにされて、下方に電極４２９ｄが設けられている。
【0091】
また、薄膜４２０ｄ上には、例えば測定対象を挟むことができる位置にＮ型半導体４２４ｄ及びＮ型半導体４２５ｄを有する。
【0092】
Ｎ型半導体４２４ｄは、例えばリンの不純物をドープされて厚みを０．５μｍにされた半導体であり、金属の電極４２８ｄが設けられている。Ｎ型半導体４２５ｄは、例えばリンの不純物をドープされて厚みを０．５μｍにされた半導体であり、金属の電極４２６ｄが設けられている。ダイヤモンド半導体４２ｄにおいて、電極４２６ｄ及び電極４２８ｄはカソードとなり、電極４２９ｄはアノードとなっている。
【0093】
このように、ダイヤモンド半導体４２ｄは、ダイヤモンドで形成された縦型のＰＩＮダイオードとなっており、高い逆バイアスが印加されるとアバランシェ降伏による電子の増倍が起きる。
【0094】
図１５は、ダイヤモンド半導体４２ａの第４変形例（ダイヤモンド半導体４２ｅ）の断面を模式的に示す図である。
【0095】
ダイヤモンド半導体４２ｅは、上述したダイヤモンド半導体４２ｄにおける薄膜４２０ｄとＮ型半導体４２４ｄとの間にＰ型半導体４２４ｅがさらに積層され、薄膜４２０ｄとＮ型半導体４２５ｄとの間にＰ型半導体４２５ｅがさらに積層された構成となっている。
【0096】
すなわち、ダイヤモンド半導体４２ｅは、上述したリーチスルー構造を備え、ＮＶセンタの形成領域とキャリアの倍増領域とを分離した縦型のＰＩＮダイオードとなっており、高い逆バイアスが印加されるとアバランシェ降伏による電子の増倍が起きる。
【0097】
図１６は、ダイヤモンド半導体４２ａ及びその変形例などによる電気検出磁気共鳴（ＰＤＭＲ）特性を例示するグラフである。上述したＯＤＭＲ特性（図８等参照）では、薄膜が発する蛍光の強度の周波数依存性を示していたが、図１６に示したＰＤＭＲ特性では、電流又は導電率の周波数依存性を示している。
【0098】
ダイヤモンド中のＮＶセンタは、バンドギャップ内にエネルギー準位を形成する。この準位に捕獲され、基底状態にある電子は、５３２ｎｍの励起光によって励起状態へ遷移するが、一部の電子は励起光によってさらに伝導帯へ遷移する。
【0099】
この電子はＮＶセンタのスピン状態を反映しており、ｍｓ＝±１の状態にある電子は光電流にほとんど寄与しない。これは、ｍｓ＝±１の励起状態に遷移した電子の励起寿命がｍｓ＝０の場合に比べて短いためである。
【0100】
ダイヤモンド半導体４２ａ及びその変形例などは、伝導帯へ励起された電子を光電流として外部回路へ取り出すことを可能にしている。つまり、ダイヤモンド半導体４２ａ及びその変形例などは、ＮＶセンタのスピン状態を電気的に読み出すことを可能にしている。
【0101】
ダイヤモンド半導体４２ａ及びその変形例などにおいては、ＮＶセンタの共鳴周波数に対応するマイクロ波を照射することにより、ｍｓ＝０とｍｓ＝１、又はｍｓ＝０とｍｓ＝－１の２準位間の遷移をさせることができる。
【0102】
なお、ＮＶセンタのスピン状態を電気的に検出するときに、暗電流がＮＶセンタに由来する光電流よりも多い場合には、励起光をパルス化し、光電流を電圧へＩ／Ｖ変換した後に、ロックインアンプを用いて暗電流を除去するようにしてもよい。
【0103】
次に、集積回路４の変形例について説明する。
【0104】
図１７は、一実施形態に係る集積回路４の変形例における薄膜４２０ａ及び検出部４６の周辺の構成例を模式的に示す図である。図１８は、図１７に示した薄膜４２０ａ及び検出部４６の周辺に関する拡大図である。図１８（ａ）は、図１７に示した薄膜４２０ａ及び検出部４６の周辺のＡ－Ａ線断面を模式的に示した図である。図１８（ｂ）は、図１７に示した薄膜４２０ａ及び検出部４６の周辺のＢ－Ｂ線断面を模式的に示した図である。図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）に示した一点鎖線で囲まれた領域を拡大して模式的に示した図である。
【0105】
図１７及び図１８に示すように、集積回路４の変形例においては、薄膜４２０ａの下層に酸化膜４６４ａが形成されている。また、検出部４６は、例えば二次元のＣＭＯＳセンサであり、ＰＤが形成されている受光層４６２の上層に酸化膜４６４が形成された構成となっている。
【0106】
また、集積回路４の変形例においては、酸化膜４６４及び酸化膜４６４ａに囲まれるように窒化膜４８０が形成されている。窒化膜４８０は、図１７及び図１８において太矢印で示した方向に励起光が図示しない光ファイバなどを介して１ヶ所から入射されると、例えば複数方向に向けて励起光を導くスターカプラとして機能するように形成されている。
【0107】
すなわち、集積回路４の変形例は、窒化膜４８０をコア層とし、酸化膜４６４ａ及び酸化膜４６４をクラッド層とする導波路が形成されており、太矢印で示した方向に入射された励起光を薄膜４２０ａの全体に対して略均一に照射（励起）するように構成されている。
【0108】
例えば、図１８（ｂ）に示されているように、酸化膜４６４ａは、窒化膜４８０と薄膜４２０ａとの間に挟まれた領域の厚さが、外部から入射される励起光の導光方向（Ｘ方向）に進むにつれて徐々に薄くなるように形成されている。
【0109】
また、図１８（ｃ）に示されているように、窒化膜４８０は、励起光の導光方向（Ｘ方向）に向けて回折格子４８２が所定の間隔で形成されている。回折格子４８２は、例えば外部から入射される励起光の導光方向（Ｘ方向）に進むにつれて間隔が狭くなるように周期的に形成されている。例えば、図１８（ｃ）に示したｎ＋１番目の回折格子４８２の間隔は、ｎ番目の回折格子４８２の間隔よりも短くされている。また、ｎ＋２番目の回折格子４８２の間隔は、ｎ＋１番目の回折格子４８２の間隔よりも短くされている。
【0110】
なお、薄膜４２０ａのＸＹ方向の各位置に対して照射される励起光が略均一となるように、酸化膜４６４ａの厚さ、又は回折格子４８２の間隔のいずれか一方のみが変調されてもよい。また、集積回路４の変形例に形成された導波路、及び薄膜４２０ａは、光共振するように構成されていてもよい。
【0111】
そして、集積回路４の変形例は、薄膜４２０ａ内で電子が励起光によって励起され、励起状態にあった電子が基底状態に遷移するときに薄膜４２０ａが発した赤色光を検出部４６が検出する。このように、集積回路４の変形例は、薄膜４２０ａ内で電子が励起光によって励起され、赤色光の強度の変化を検出部４６が光によって検出する。
【0112】
なお、図１７及び図１８に示した例においては、薄膜４２０ａは、導電率の変化を検出することができるように構成されてもよい。すなわち、薄膜４２０ａは、導電率の変化をマイクロ波の周波数の変化に応じて変化する電気信号として検出する検出部の一部の電気回路としての機能を兼ね備え、電気信号を制御部１４に対して出力してもよい。
【0113】
また、検出部４６が、薄膜４２０ａの導電率の変化を、マイクロ波の周波数の変化に応じて変化する電気信号として検出する電気回路として構成され、電気信号を制御部１４に対して出力してもよい。また、集積回路４の変形例は、薄膜４２０ａ内で電子が励起光によって励起され、電子が励起状態から基底状態に遷移するときの変化を検出部４６が電気的に検出してもよい。
【0114】
なお、上述した実施形態は、いずれもセンサシステム１の構成例であり、上述の各構成の組み合わせが任意に変更されてもよい。例えば、センサシステム１は、光又は電気のいずれによって電子が励起されてもよく、光又は電気のいずれによって磁場などの変化を検出してもよい。
【0115】
また、集積回路４は、薄膜４２０ａと、外部からの駆動に応じて薄膜４２０ａにマイクロ波を照射するマイクロ波照射系４４と、外部からの駆動に応じて薄膜４２０ａに含まれる電子を励起光又は電気によって励起させる励起部（図３，１７等に示される構成）と、電子が励起状態から基底状態に遷移するときに薄膜４２０ａから出力される光の強度又は導電率の少なくともいずれかを、マイクロ波の周波数の変化に応じて変化する電気信号として検出する検出部４６とを有するように構成されている。
【0116】
なお、上述したセンサシステム１は、ＮＶセンタの個数密度が１～１０２０ｃｍ－３の範囲内であることが望ましい。
【0117】
次に、センサシステム１の他の構成例について説明する。
【0118】
図１９は、センサシステム１の他の構成例を模式的に示した概略図である。図１９に示したように、センサシステム１は、例えば複数のセンサモジュール４ａを備える。複数のセンサモジュール４ａは、それぞれ集積回路４（図３等参照）を有し、例えば人の頭部などの計測対象の表面にアレイ状に配置可能にされている。また、センサモジュール４ａ（又は集積回路４）は、図１１に示したように複数層に積層化されて計測対象に配置されてもよいし、一層でアレイ状に配置されてもよい。そして、複数のセンサモジュール４ａを備えるセンサシステム１は、頭の深さ方向も含む三次元の磁場を高感度で検出するように構成されてもよい。さらに複数層のセンサでグラジオメータを構成し、高感度化を図ることもできる。
【0119】
すなわち、センサシステム１は、小型化されたセンサモジュール４ａが人の頭などの計測対象に複数個、アレイ状に配置されることにより、脳内の情報を非侵襲で高感度に計測することを可能にする。そして、センサシステム１は、人の頭の表面から一定の距離を置いて複数個が配置されることにより、脳内の深さ方向のより詳細な情報を得ることができる。
【0120】
このように、上述した実施形態によれば、光検出磁気共鳴、又は電気検出磁気共鳴を利用して、磁場等の検出感度を上げつつ小型化を可能にすることができる。
【0121】
そして、センサシステム１は、常温・室温における生体の脳磁、心磁、脊磁の計測、細胞の電流・温度の計測、神経ネットワークの計測、電池やパワーデバイスの電流や温度の計測など、スケーラブルな計測を可能にするように多岐にわたって応用することが可能になっている。
【符号の説明】
【0122】
１・・・センサシステム、２，２ａ，２ｂ，２ｃ・・・プローブ、３，３ａ，３ｂ，４・・・集積回路、１０・・・入力部、１２・・・出力部、１４・・・制御部、２０・・・光源、２２・・・検出器、３０，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ・・・ダイヤモンド半導体、３２，４４・・・マイクロ波照射系、４０・・・シリコン基板、４６・・・検出部、１４０・・・ＣＰＵ、１４２・・・メモリ、４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｄ・・・薄膜、４２１ｂ・・・絶縁基板、４２２ａ，４２２ｂ，４２４ｃ，４２４ｅ・・・Ｐ型半導体、４２４ａ，４２４ｂ，４２４ｄ，４２５ｄ・・・Ｎ型半導体、４２６ａ，４２６ｂ，４２６ｄ，４２８ａ，４２８ｂ，４２８ｄ，４２９ｄ・・・電極、４２７ｄ・・・ｐ（１１１）基板、４４０・・・マイクロ波発生回路、４４２・・・アンテナ、４６０・・・受光部、４６２・・・受光層、４６４，４６４ａ・・・酸化膜、４８０・・・窒化膜、４８２・・・回折格子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】