Development of BGaN semiconductor devices for neutron semiconductor detector

• Project/Area Number: 16H03899
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: General applied physics
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: Nakano Takayuki 静岡大学, 工学部, 准教授 (00435827)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青木 徹 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (10283350) ; 本田 善央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274) ; 井上 翼 静岡大学, 工学部, 教授 (90324334)
• Research Collaborator: Amano Hiroshi
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2017: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2016: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000)
• Keywords: 中性子検出 / III族窒化物半導体 / 中性子半導体検出器 / BGaN / MOVPE / 結晶成長 / III族窒化物 / 半導体検出器 / 中性子検出半導体 / α線飛程 / エピタキシャル / 放射線 / 先端機能デバイス

Outline of Final Research Achievements

Recently, the use application of neutron has expanded, and neutron imaging techniques are expected in various fields. In this study, we proposed and developed the BGaN, a group III nitride semiconductor material, as a neutron semiconductor detector. In the epitaxial growth technology, we clarified that triethylboron (TEB), which was conventionally used as a metalorganic source, causes a gas phase reaction with ammonia in the gas phase to cause deterioration of the crystallinity by forming an adduct. Therefore, we have established a thick film epitaxial growth technology that suppresses gas phase reaction by using trimethylboron (TMB) as a new metalorganic source. The grown thick BGaN film has been used to realize the fabrication of a neutron detection diode, resulting in signal detection by neutron capture.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で提案しているBGaN中性子半導体検出器は、中性子を半導体有感層中で捕獲し、更に検出まで行う機構であり、これまでのコンバーターなどを用いた検出器とは検出原理が異なっており、全α壊変エネルギーを検出可能なシステムである。従って、中性子検出信号のエネルギー弁別が可能であり高いn/γ比の中性子検出が可能である。本研究成果により、新しい中性子検出器の可能性を示唆しており、今後の開発により中性子イメージングなどにおける新技術として利用可能な基礎技術の構築を実現しており、中性子検出技術の新しい展開が期待される結果を得た。

Research Products

• [Journal Article] Impacts of growth temperature on the structural properties of BGaN films grown by metalorganic vapor phase epitaxy using trimethylboron (2019)
  • Author(s): Kazushi Ebara, Ken Mochizuki, Yoku Inoue, Toru Aoki, Kazunobu Kojima, Shigefusa F. Chichibu, Takayuki Nakano
  • Journal Title: Japanese Jornal of Applied Physics Volume: -
  • NAID: 210000156189
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of substrate offcut angle on BGaN epitaxial growth (2016)
  • Author(s): Kohei Ueyama, Hidenori Mimura, Yoku Inoue, Toru Aoki, and Takayuki Nakano
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 55 Issue: 5S Pages: 05FD05-05FD05
  • DOI: 10.7567/jjap.55.05fd05
  • NAID: 210000146507
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Study of radiation detection properties of GaN pn diode (2016)
  • Author(s): Mutsuhito Sugiura, Maki Kushimoto, Tadashi Mitsunari, Kohei Yamashita, Yoshio Honda, Hiroshi Amano, Yoku Inoue, Hidenori Mimura, Toru Aoki and Takayuki Nakano
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 55 Issue: 5S Pages: 05FJ02-05FJ02
  • DOI: 10.7567/jjap.55.05fj02
  • NAID: 210000146544
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Kinetics analysis of desorption process in BGaN MOVPE (2018)
  • Author(s): Kazushi Ebara, Ken Mochizuki, Yoku Inoue, Toru Aoki, Kazunobu Kojima, Shigefusa F. Chichibu, and Takayuki Nakano
  • Organizer: The International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 (IWN 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and evaluation of thick BGaN neutron detection diodes (2018)
  • Author(s): Takayuki Maruyama, Yuri Takahashi, Natsuki yamada, Kazushi Ebara, Hisaya Nakagawa, Shigeyoshi Usami, Yoshio Honda, Hiroshi Amano, Kazunobu Kojima, Shigefusa F. Chichibu, Yoku Inoue, Toru Aoki, and Takayuki Nakano
  • Organizer: The International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 (IWN 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiation detection characteristics of BGaN semiconductor detectors (2018)
  • Author(s): N. Yamada, K. Mochizuki, T. Maruyama, K. Ebara, Y. Takahashi, H. Nakagawa, S. Usami, Y. Honda, H. Amano, K. Kojima, S. F. Chichibu, Y. Inoue, T. Aoki, T. Nakano
  • Organizer: 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, and Workshop on Room-Temperature Semiconductor X-Ray and Gamma-Ray Detectors (NSS/MIC/RTSD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of cubic phase formation in wurtzite type BGaN by MOVPE (2018)
  • Author(s): Kazushi Ebara, Ken Mochizuki, Yoku Inoue, Toru Aoki, Kazunobu Kojima, Shigefusa F. Chichibu and Takayuki Nakano
  • Organizer: 19th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XIX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of BGaN solid state detector for neutron imaging (2018)
  • Author(s): Takayuki NAKANO, Ken MOCHIZUKI, Takayuki MARUYAMA, Natsuki YAMADA, Hisaya NAKAGAWA, Shigeyoshi USAMI, Yoshio HONDA, Hiroshi AMANO, Kazunobu KOJIMA, Shigefusa F. CHICHIBU, Yoku INOUE, Toru AOKI
  • Organizer: International Workshop on Position Sensitive Neutron Detectors (PSND 2018 WORKSHOP)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子イメージングセンサーに向けたBGaN半導体検出器の開発 (2018)
  • Author(s): 高橋 祐吏、丸山 貴之、山田 夏暉、江原 一司、太田 悠人、中川 央也、 宇佐美 茂佳、本田 善央、天野浩、小島 一信、 秩父 重英、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] TMBを用いたBGaN結晶成長の脱離過程解析 (2018)
  • Author(s): 中野貴之、江原一司、望月健、井上翼、青木徹、小島信一、秩父重央
  • Organizer: 第18回多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] BGaN-MOVPE法における脱離過程の解析 (2018)
  • Author(s): 江原 一司、望月 健、井上 翼、青木 徹、小島 一信、秩父 重英、中野 貴之
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MOVPE 法を用いた厚膜BGaN 結晶成長の検討および縦型中性子検出デバイスの作製 (2018)
  • Author(s): 丸山 貴之、高橋 祐吏、山田 夏暉、江原 一司、望月 健、中川 央也、宇佐美 茂佳、本田 善央、天野 浩、小島 一信、秩父 重英、 井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] BGaN半導体検出器の厚膜化および放射線検出特性評価 (2018)
  • Author(s): 高橋 祐吏、丸山 貴之、山田 夏暉、江原 一司、望月 健、中川 央也、宇佐美 茂佳、本田 善央、天野 浩、小島 一信、秩父 重英、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] BGaN半導体検出器の基礎電気特性及び放射線検出 (2018)
  • Author(s): 山田 夏暉、丸山 貴之、中川 央也、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 日本原子力学会 2018秋の大会
• [Presentation] MOVPE法による中性子半導体検出器に向けたBGNA結晶成長技術の開発 (2018)
  • Author(s): 丸山貴之、山田夏暉、江原一司、中川央也、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 次世代放射シンポジウム(放射線夏の学校)2018
• [Presentation] BGaN半導体検出器における放射線検出特性の膜厚依存性評価 (2018)
  • Author(s): 山田夏暉、丸山貴之、中川央也、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 次世代放射シンポジウム(放射線夏の学校)2018
• [Presentation] MOVPE 法を用いた厚膜 BGaN 成長および縦型中性子検出デバイスの作製 (2018)
  • Author(s): 高橋祐吏、丸山貴之、山田夏暉、江原一司、望月健、中川央也、宇佐美茂佳、本田善央、天野浩、小島一信、秩父重英、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第10回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [Presentation] MOVPE法を用いて作製したBGaN結晶相の評価 (2018)
  • Author(s): 江原一司、望月健、井上翼、青木徹、小島一信、秩父重英、中野貴之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 厚膜BGaN中性子半導体検出器の作製と放射線検出特性評価 (2018)
  • Author(s): 丸山貴之、望月健、中川央也、宇佐美茂佳、本田善央、天野浩、小島一信、秩父重英、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] BGaN縦型ダイオードの作製と放射線検出特性の評価 (2017)
  • Author(s): 望月健、中村匠、有川卓弥、宇佐美茂佳、久志本真希、本田善央、天野浩、小島一信、秩父重英、三村秀典、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜, (神奈川県、横浜市)
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] GaNダイオードを用いた各照射条件下におけるα線検出特性評価 (2017)
  • Author(s): 中野貴之、有川卓弥、中川央也、宇佐美茂佳、久志本真希、本田喜央、天野浩、Schütt Sebastian、Vogt Adrian、Fiederle Michael、三村秀典、井上翼、青木徹
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜, (神奈川県、横浜市)
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Study of Boron metal organic sources for BGaN growth using MOVPE (2017)
  • Author(s): T. Nakano, K. Mochizuki, T. Nakamura, T. Aoki, Y. Inoue, K. Kojima, S. F. Chichibu
  • Organizer: International Workshop on UV Materials and Devices 2017 (IWUMD-2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and evaluation of vertical type BGaN neutron detection diodes (2017)
  • Author(s): T. Nakano, K. Mochizuki, T. Arikawa, H. Nakagawa, S. Usami, Y. Honda, H. Amano, K. Kojima, S. F. Chichibu, H. Mimura, Y. Inoue, T. Aoki
  • Organizer: 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, and Workshop on Room-Temperature Semiconductor X-Ray and Gamma-Ray Detectors (NSS/MIC/RTSD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] alpha-particle detection characteristics of BGaN diode detector for neutron detection (2017)
  • Author(s): H. Nakagawa, K. Mochizuki, T. Arikawa, T. Terao, A. Koike, T. Nakano, and T. Aoki
  • Organizer: The 16th International Conference on Global Research and Education (Inter-Academia 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and evaluation of vertical type BGaN diodes by MOVPE using trimethylboron (2017)
  • Author(s): K. Mochizuki, T. Nakamura, T. Arikawa, Y. Inoue, S. Usami, M. Kushimoto, Y. Honda, H. Amano, K. Kojima, S. F. Chichibu, H. Mimura, T. Aoki, and T. Nakano
  • Organizer: The 12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-12)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] III族窒化物半導体放射線検出器に向けた結晶成長技術の開発と諸特性評価 (2017)
  • Author(s): 中野貴之
  • Organizer: 第66回CVD研究会
  • Invited
• [Presentation] TMBを用いた高品質BGaN結晶成長技術の開発 (2017)
  • Author(s): 中野貴之、望月健、江原一司、井上翼、青木徹、小島一信、秩父重英
  • Organizer: 第17回多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] BGaN半導体結晶を用いた熱中性子半導体検出器の開発 (2017)
  • Author(s): 中野貴之、井上翼、青木徹
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議
  • Invited
• [Presentation] MOVPE法を用いたBGaN厚膜成長における結晶性の検討 (2017)
  • Author(s): 丸山貴之、望月健、井上翼、中野貴之
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議
• [Presentation] MOVPE法を用いたBGaN結晶成長の基板依存性の評価 (2017)
  • Author(s): 江原一司、望月健、井上翼、中野貴之
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議
• [Presentation] 放射線検出器に向けたNa-flux法GaN育成方法の検討と電気特性評価 (2017)
  • Author(s): 矢野雄大、中川央也、井上翼、青木徹、今西正幸、今出完、森勇介、中野貴之
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議
• [Presentation] BGaN半導体材料を用いた新規熱中性子検出器の提案と開発 (2017)
  • Author(s): 中野貴之、望月健、宇佐美茂佳、本田善央、天野浩、小島一信、秩父重英、三村秀典、井上翼、青木徹
  • Organizer: 日本原子力学会2017年秋の大会
• [Presentation] BGaN-MOVPE法におけるB有機金属原料の検討 (2017)
  • Author(s): 望月健, 中村匠, 青木徹, 井上翼, 小島一信, 秩父重英, 中野貴之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] GaN放射線検出器に向けたNa-flux法バルク育成方法の検討と電気特性評価 (2017)
  • Author(s): 矢野雄大, 中川央也, 今西正幸, 今出完 , 森勇介, 井上翼, 青木徹,中野貴之
  • Organizer: 次世代放射線シンポジウム2017(第29回放射線夏の学校)
• [Presentation] Characterization of pin-GaN diodes radiation detection for alpha-ray (2016)
  • Author(s): T. Arikawa, K. Mochizuki, M. Sugiura, H. Nakagawa, S. Usami, M. Kushimoto, Y. Honda, H. Amano, S. Schütt, A. Vogt, M. Fiederle, H. Mimura, Y. Inoue, T. Aoki, T. Nakano
  • Organizer: 2016 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, and Workshop on Room-Temperature Semiconductor X-Ray and Gamma-Ray Detectors (NSS/MIC/RTSD)
  • Place of Presentation: Strasbourg Convention Center, (Strasbourg, France)
  • Year and Date: 2016-10-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] III族窒化物放射線検出器に向けたGaN半導体α線検出特性の評価 (2016)
  • Author(s): 中川央也, 有川卓弥, 望月健, 宇佐美茂佳, 久志本真希, 本田善央, 天野浩, 三村秀典, 井上翼, 中野貴之, 青木徹
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、（新潟県、新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Study on the range of alpha particles in GaN diodes (2016)
  • Author(s): T. Nakano, T. Arikawa, K. Mochizuki, M. Sugiura, H. Nakagawa, S. Usami, M. Kushimoto, Y. Honda, H. Amano, S. Schütt, A. Vogt, M. Fiederle, H. Mimura, Y. Inoue, T. Aoki
  • Organizer: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE18)
  • Place of Presentation: Nagoya Congress Center, (Nagoya, Japan)
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Proposal and development of novel neutron semiconductor detector using BGaN (2016)
  • Author(s): Takayuki Nakano
  • Organizer: The international workshop on UV materials and devices (IWUMD-2016)
  • Place of Presentation: Peking University, (Beijing, China)
  • Year and Date: 2016-07-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 静岡大学工学部電子物質科学科中野研究室HP
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nakano/
• [Remarks] 静岡大学中野研ホームページ
  • URL: http://nakanolab.eng.shizuoka.ac.jp/index.html
• [Remarks] 静岡大学中野研ホームページ
  • URL: http://nakanolab.eng.shizuoka.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 中性子半導体検出構造、中性子半導体検出器、及び中性子半導体検出構造の製造方法 (2017)
  • Inventor(s): 中野貴之、秩父重英、小島一信
  • Industrial Property Rights Holder: 中野貴之、秩父重英、小島一信
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-068686
  • Filing Date: 2017-03-28
• [Patent(Industrial Property Rights)] 中性子半導体検出器 (2017)
  • Inventor(s): 中野貴之、青木徹、井上翼、小池昭史
  • Industrial Property Rights Holder: 中野貴之、青木徹、井上翼、小池昭史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-037321
  • Filing Date: 2017-02-28