SiC半導体による放射線検出器の
開発・研究
2004年 3月 9日
岡山大学・理学部 中野 逸夫,岩見 基弘,
木下 明将,小林 健一,
田中 礼三郎
原研高崎
大井 暁彦,大島 武,
神谷 富裕
KEK
福島 靖孝
内
1.動機と目的
2.SiCについて
3.SiC studyの簡単な歴史
4.静特性
5.動特性
6.放射線照射
7.現状のまとめ
容
1.動機と目的
素粒子物理学
宇宙空間物理学
原子炉物理学
• 耐環境デバイスとして高速スィッチング・
デバイス,パワー・デバイス等として開
発・研究されている新素材
• 耐放射線
• 耐環境 熱
• RD42
• RD50
Diamond Detector
4H-SiC他
2.SiCについて
各種半導体の特徴
項 目 / 材 料
Si
GaAs
3C-SiC
6H-SiC
4H-SiC
GaN
Diamond
バンドギャップ(eV)
1.12
1.43
2.3
2.86
3.02
3.39
5.47
電子移動度(㎝2/Vs)
1500
8500
800
460
700
900
1800
0.3
0.4
4
3
3.5
2
4
1
2
2.7
2
2.7
2.7
2.5
熱伝導率(W/㎝・℃)
1.51
0.54
3.2
4.9
4.9
1.3
20.9
比誘電率
11.9
12.91
9.72
10.03c
10.03c
10.4c
5.93
Johnson指数(高速・大電力)
1.0
7.1
1296
400
992
324
1100
Key指数(高速・高集積素子)
1.0
0.53
3.9
5.2
6.1
1.5
31
熱伝導率×Johnson指数
1.0
2.5
2750
1360
3370
280
15000
絶縁破壊電界(MV/㎝)
電子飽和速度(×107㎝/s)
(注)Johnson指数 = (絶縁破壊電界×電子飽和速度)2
Key指数 = 熱伝導率×(電子飽和速度/誘電率)1/2
SiC(vs Si)
• 禁制帯幅(bandgap)
– 2~3倍
• 絶縁破壊電界
– 1桁大きい
• 飽和電子速度
– 2倍
• 熱伝導率
– 3倍
• 動作温度の上限
– 500-600℃(Si:150℃くらい)
• 耐放射線性
– (MOSFETで1~2桁強い耐放射線性:γ線)
Polytype(結晶多系)
• 200種類以上
– nH-SiC (hexagonal:六方晶)
– nR-SiC (rhombohedral:菱面体晶)
– 3C-SiC (Cubic:立方晶)
○
3.SiC Studyの簡単な歴史
• ~2001年度
– プロトタイプの作成 3mmΦ
– 低温におけるα線検出の確認
• 2002年度
– 漏洩電流軽減により常温で
動作確認
– UV-LED(375nm;3.31eV)による
反応を確認
• 2003年度
– 放射線損傷(γ線、β線)の評価
Sample(SiC detector)
made in 原研(高崎)
• p(epi)/p+(substrate)
酸化膜
アルミニウム
150~200nm
70nm
150nm 5μm
epi
bulk
6H-SiC
– CREE社より購入
– 6H-SiC
• イオン注入
– Pイオン
– 1×1019(3.3×1018)[/cm3]
• 電極
アルミニウム
合金化アルミ
イオン注入層
– Al(オーミック接合)
測定試料
Wire
Bonding
Pad 300μmΦ
SiO2
SiC p
SiC p+
PN-SiCダイオード
150nm
SiCn+
~5μm
~300μm
Al
•原子力研究所高崎研究所の協力
により製作(8個)
•有効有感面積 0.0707mm2
Si PIN フォトダイオード
•S3071(浜松ホトニクス社製)
•有効有感面積 19.6mm2
Photograph of Sample
電極(ボンディング用パッド)
電極(検出部分)
2cm
1cm
300 μm
4.静特性
I-V特性
SiC
Si
[nA]
漏
れ
電
流
逆バイアス [V]
試料の良否を判断できる。
漏れ電流値の低い
これらのSiC試料を評価した
I-V 特性
C-V特性,空乏層厚評価
C-V分布
空乏層
102
SiC n+
SiC p
10
容
量
SiC p+
[pF]
S
W  s
C
PN-SiCダイオード
26~122
10
100
空乏層厚-V分布
102
10
空
乏
層
厚
[um]
0.3~4
1
逆バイアス [V]
空乏層厚 [μm]
Si PIN フォトダイオード
1
1
1
逆バイアス [V]
10
100
浮遊容量を補正した C-V 曲線
照射前
照射前
5.動特性
2000
Counts
0V
-10V -50 -100
-200
1000
0
0
10
20
30 40 50
Channel
Fig. 4. Pulse height distributions of the pn-SiC detector sample at different
reverse bias voltages for UV light of 1μs width pulses at 100Hz.
Normalized pulse height and
intensity absorbed in depletion layer
LED 応答
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Theoretical
no diffusion (1)
1.0μm (2)
2.5μm (3)
Experimental
Pulse width : 1μs
100
Reverse Bias [V]
200
Fig. 5. For experimental data, the open circles for 1s pulse width are distribution of
mean pulse height normalized by that at the reverse bias voltages of -200V. For
theoretical data, the solid line, broken line and dash-dotted line are distribution of
intensity normalized by that at reverse bias voltages of -200V.
Diffusion効果を考慮?
P+ Bulkの影響?
P11
• α(4.4MeV)
– No Damage
– 150 Mrad Gamma
P11
0.2
P11
1000
No Damage
150Mrad Gamma
0
0
100
Reverse Bias [V]
200
Energy Resolution
(FWHM/E)
Channel
2000
α:4.3MeV
0.1
No Damage
150Mrad Gamma
0
0
100
Reverse Bias [V]
200
P11
• α(~2MeV)
– No Damage
– 150 Mrad Gamma
P11
Channel
1000
500
No Damage
150Mrad Gamma
0
0
100
Reverse Bias [V]
200
Sensitive Areaが薄い(5μm)ため
Energy Resolution
(FWHM/E)
0.6
P11
α:1.5MeV
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
No Damage
150Mrad Gamma
100
Reverse Bias [V]
200
6.放射線照射
放射線耐性の研究
@原子力研究所高崎研究所
照射(吸収)線量
β(電子)線・・・2[MeV]
1.0×1013, 1.0×1014, 1.0×1015 [e/cm-2]
γ線・・・1.173, 1.333[MeV] (線源
60Co)
1.3, 6.3, 15.2, 29.1, 43.1, 150.4 [Mrad]
最初の試み
制御のしやすさ
Accessのしやすさ
I-V特性(放射線照射後)
↓γ線
Si→
漏れ電流値の増加
102
101
1
10-1
10-2
10-3
0 20 40 60
SiC→
[nA]
漏
れ
電
流
↓β線
100
200
102
101
1
10-1
10-2
10-3
102
101
1
10-1
10-2
10-3
0 20 40 60
100
200
102
101
1
10-1
10-2
10-3
0 20 40 60
100
200
0 20 40 60
逆バイアス [V]
100
200
Si
SiC
SiC
7. 現状のまとめ
• テストに耐えるサンプル作りができるように
なってきた.
• 放射線検出器としてのSiCを定性的に理解し
始めた.
• SiCの方がSiより耐放射線はよさそうである.
• より深い理解のために更なる研究と経験が必
要である.そのためには、epi-層を厚くする必
要がある
→→ MIP Detection
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