論文の概要: In-Substrate Imaging of Diamond hBN FET Current via Widefield Quantum Diamond Microscopy

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.15355v1
• Date: Wed, 21 Jan 2026 06:57:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-23 21:37:20.371874
• Title: In-Substrate Imaging of Diamond hBN FET Current via Widefield Quantum Diamond Microscopy
• Title（参考訳）: 広視野量子ダイヤモンド顕微鏡によるダイヤモンドhBNFET電流の基板内イメージング
• Authors: Anuj Bathla, Subrat Kumar Pradhan, Ajit Kumar Dash, Prabhat Anand, M. Girish Chandra, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Akshay Singh, Veeresh Deshpande, Kasturi Saha,
• Abstract要約: ダイヤモンド表面の水素終端は2次元ホールガス(2DHG)を誘導する 表面下1m$の近傍のNV中心のアンサンブルは、マイクロメートルスケールの空間解像度で電流の流れを非侵襲的に撮像することを可能にする。 磁場マップと再構成された電流密度分布は、ソースドレイン接触で直接電流注入を可視化し、hBNゲートチャネルの下を輸送する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.4776734774603724
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We demonstrate widefield magnetic imaging of current flow in hydrogen terminated diamond field effect transistors (FETs) through in-substrate nitrogen vacancy (NV) centers. Hydrogen termination of the diamond surface induces a two dimensional hole gas (2DHG), while an ensemble of near surface NV centers located $ \sim 1~μm$ below the surface enables noninvasive magnetic imaging of current flow with micrometer scale spatial resolution. The FETs were electrically characterized over a range of drain source biases $V_{ds}= 0$ to $-15V$ and gate voltages,$V_{gs}= +3$ to $-9V$ followed by in situ widefield NV magnetometry during device operation. Magnetic field maps and reconstructed current density distributions directly visualize current injection at the source drain contacts and transport beneath the hBN gated channel. Magnetic field maps reveal current density variations in the channel region owing to non-uniformities or defects in the gate dielectric. In addition, we observe a pronounced enhancement of the drain current ($\sim 600-900 μA$) and a shift in the apparent threshold voltage during laser illumination, reflecting photo induced changes in channel electrostatics. By correlating gate dependent magnetic images with simultaneous electrical measurements, we directly link spatial current distributions to FET transfer characteristics, providing new insight into buried interface transport and non-uniform gating effects in the transistor channel. As the methodology is compatible with top gated FETs, it can be used to map channel current distributions with micrometer resolution in emerging channel materials, such as 2D materials and wide bandgap channels, and establish widefield NV magnetometry as a powerful platform for probing charge transport in transistors and Van der Waals dielectric heterostructures.
• Abstract（参考訳）: 本研究では, 水素終端ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の窒素空孔(NV)中心による電流流の広視野イメージングを行った。 ダイヤモンド表面の水素終端は2次元のホールガス(2DHG)を誘導する一方、表面下1〜μm$の近傍のNV中心のアンサンブルは、マイクロメートルスケールの空間分解能で電流の流れの非侵襲的なイメージングを可能にする。 FETは、ドレイン源バイアス$V_{ds}=0$から$15V$とゲート電圧$V_{gs}=+3$から$-9V$に電気的特性を持ち、デバイス操作中にin situ Widefield NV磁力計が続いた。 磁場マップと再構成された電流密度分布は、ソースドレイン接触での電流注入を直接可視化し、hBNゲートチャネルの下を輸送する。 磁場マップは、ゲート誘電体の非均一性や欠陥に起因するチャネル領域の電流密度の変動を明らかにする。 さらに, 放電電流(600-900 μA$)の顕著な増大と, レーザ照射時の表面しきい値電圧の変化を観察し, チャネル静電気の光誘起変化を反映した。 ゲート依存性の磁気画像と同時電気測定とを関連付けることにより、空間電流分布をFET転送特性に直接リンクし、トランジスタチャネル内の埋設界面輸送と非一様ゲーティング効果に関する新たな知見を提供する。 この手法はトップゲートFETと互換性があるため、2D材料や広帯域チャネルなどの新興チャネル材料におけるマイクロメートル分解能のチャネル電流分布のマッピングや、トランジスタやVan der Waals誘電体ヘテロ構造における電荷輸送を探索するための強力なプラットフォームとしての広視野NV磁力計の確立に利用できる。

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