Development of thermal neutron imaging sensor using BGaN semiconductor detector

• Project/Area Number: 19H04394
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: Nakano Takayuki 静岡大学, 電子工学研究所, 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) ; 井上 翼 静岡大学, 工学部, 教授 (90324334) ; 本田 善央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274) ; 小島 一信 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30534250) ; 嶋 紘平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 中性子検出 / 半導体検出器 / イメージングセンサー / BGaN / III族窒化物半導体 / 結晶成長 / 中性子検出器

Outline of Research at the Start

中性子イメージング技術は、新しい非破壊内部イメージング技術として期待されている。高解像度イメージングに期待される中性子半導体検出器は中性子捕獲元素を含む必要があるため、半導体材料の合成が困難であり実用化に至っていない。我々は、大きな中性子捕獲断面積を持つB原子に着目し、B原子を含んだIII族窒化物半導体であるBGaNを中性子検出半導体として提案している。本研究では、BGaN中性子イメージングセンサー実現に向けて、「BGaN結晶成長技術の開発」、「デバイスプロセス開発」、「信号処理技術の開発」を実施する。これらの要素技術開発により、中性子イメージングセンサーの実現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Recently, the expansion of neutron applications has led to the development of new detectors for neutron imaging technology, and we have proposed BGaN, a group-III nitride semiconductor material, as a neutron semiconductor detector. We have calculated the thickness dependence of the detection energy of neutron capture reaction for device application, and confirmed that the film thickness required for energy discrimination is more than 5 um. In order to achieve high-quality thick-film epitaxial growth of more than 5 um, we have achieved thick-film epitaxial growth of more than 5 um by controlling gas-phase reactions, optimizing growth temperatures, and controlling strain. The thick-film BGaN crystals were used to fabricate a radiation detection diode, and the neutron capture signal detection was improved by the thicker film.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の中性子検出では、中性子が電荷を持たないことから中性子と捕獲元素の壊変反応による荷電粒子を別の検出器で間接的に検出する手法が用いられている。今回開発しているBGaN検出器は有感層となる空乏層内で中性子捕獲から信号検出までの全工程を実施するため、疑似直接的な検出が可能であり、空間分解能の向上およびγ線とのエネルギー弁別が可能である。本研究成果では、これまで提案と基礎検証であったものが厚膜化の影響による検出効率の改善や、デバイスサイズによる各特性の変化など、今後の特性改善に向けた大きな指針を得ており、結晶成長技術の開発により高解像度中性子イメージングの実用化が期待される結果を得た。

Research Products

• [Journal Article] Effective neutron detection using vertical-type BGaN diodes (2021)
  • Author(s): Nakano Takayuki、Mochizuki Ken、Arikawa Takuya、Nakagawa Hisaya、Usami Shigeyoshi、Honda Yoshio、Amano Hiroshi、Vogt Adrian、Sch?tt Sebastian、Fiederle Michael、Kojima Kazunobu、Chichibu Shigefusa F.、Inoue Yoku、Aoki Toru
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 130 Issue: 12 Pages: 124501-124501
  • DOI: 10.1063/5.0051053
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 耐高温中性子半導体検出器に向けた新規BGaNデバイスの作製 (2022)
  • Author(s): 中村大輔、西川瞬、小関凌也、林幸佑、川崎晟也、權熊、若林源一郎、本田善央、天野浩、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] III族窒化物半導体検出器の高温耐性評価 (2022)
  • Author(s): 林幸佑、中川央也、川崎晟也、出来真斗、本田善央、天野浩、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 傾斜組成 BGaN 層を用いた BGaN 放射線検出器の開発 (2022)
  • Author(s): 夏目朋幸、宮澤篤也、中村大輔、林幸佑、橋本優作、川崎晟也、權熊、若林源一郎、本田善央、天野浩、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Impact of growth pressure on the neutron-detection efficiency of BGaN diodes (2021)
  • Author(s): A. Miyazawa, Y. Ohta, S. Matsukawa, K. Hayashi, H. Nakagawa, S. Kawasaki, Y. Ando, G. Wakabayashi, Y. Honda, H. Amano, K. Shima, K. Kojima, S. F. Chichibu, Y. Inoue, T. Aoki, T. Nakano
  • Organizer: 2021 IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM AND MEDICAL IMAGING CONFERENCE (2021 IEEE NSD MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Proposal and Development of Novel Neutron Detector using Boron Gallium Nitride (2021)
  • Author(s): Takayuki Nakano, Toru Aoki
  • Organizer: The 7th International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications (ANIMMA 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ⅲ族窒化物半導体を用いた中性子検出器の開発 (2021)
  • Author(s): 中野 貴之、青木 徹
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] BGaNダイオードの高温環境下における検出特性評価 (2021)
  • Author(s): 林 幸佑、中川 央也、宮澤 篤也、川崎 晟也、本田 善央、天野 浩、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] BGaN 中性子検出器における結晶品質およびデバイス構造が検出特性に与える影響(2) (2021)
  • Author(s): 宮澤 篤也、太田 悠斗、松川 真也、林 幸佑、中川 央也、川崎 晟也、安藤 悠人、本田 善央、天野 浩、嶋 紘平、小島 一信、秩父 重英、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 厚膜BGaN結晶成長におけるGaN中間層の影響およびデバイス特性評価 (2021)
  • Author(s): 松川 真也、太田 悠斗、宮澤 篤也、中川 央也、川崎 晟也、安藤 悠人、本田 善央、天野 浩、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] GaNダイオード放射線検出器のα線検出特性の温度依存性 (2021)
  • Author(s): 中川 央也、林 幸佑、宮澤 篤也、本田 善央、天野 浩、中野 貴之、青木 徹
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Structural characterization of BGaN films grown on AlN layer (2020)
  • Author(s): Yuki Shimizu, Yuto Ohta, Yuri Takahashi, Narihito Okada, Yoku Inoue, Takayuki Nakano
  • Organizer: The 8th International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications (LEDIA2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BGaN中性子検出器における結晶品質およびデバイス構造が検出特性に与える影響 (2020)
  • Author(s): 太田 悠斗、高橋 祐吏、山田 夏暉、宮澤 篤也、中川 央也、川崎 晟也、本田 善央、天野 浩、嶋 紘平、小島 一信、秩父 重英、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Evaluation of BGaN growth temperature dependence and fabrication of neutron semiconductor detectors (2019)
  • Author(s): Yuri Takahashi, Takayuki Maruyama, Natsuki Yamada, Kazushi Ebara, Yuto Ohta, Hisaya Nakagawa, Shigeyoshi Usami, Yoshio Honda, Hiroshi Amano, Kazunobu Kojima, Shigehusa Chichibu, Yoku Inoue, Toru Aoki, and Takayuki Nakano
  • Organizer: The 9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of neutron detection efficiency for BGaN semiconductor detectors (2019)
  • Author(s): T. Nakano, Y. Takahashi, Y. Ohta, N. Yamada, H. Nakagawa, Y. Honda, H. Amano, K. Shima, K. Kojima, S. F. Chichibu, Y. Inoue, T. Aoki
  • Organizer: 2019 IEEE Nuclear Science Symposium (NSS) and Medical Imaging Conference (MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BGaN半導体中性子検出器のチップサイズ小型化 (2019)
  • Author(s): 山田 夏暉、太田 悠斗、高橋 祐吏、丸山 貴之、中川 央也、川崎 晟也、宇佐美 茂佳、本田 善央、天野 浩、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] H2キャリアガスを用いたBGaN結晶成長メカニズムの解析 (2019)
  • Author(s): 清水 勇希、江原 一司、新宅 秀矢、井上 翼、青木 徹、嶋 紘平、小島 一信、秩父 重英、中野 貴之
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] BGaN結晶成長におけるTMB流量依存性の検討および中性子検出デバイスの作製 (2019)
  • Author(s): 太田 悠斗、高橋 祐吏、丸山 貴之、山田 夏暉、中川 央也、川崎 晟也、宇佐美 茂佳、本田 善央、天野 浩、嶋 紘平、小島 一信、秩父 重英、井上 翼、青木 徹、中野 貴之
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] BGaNを用いた中性子半導体検出器の開発 (2019)
  • Author(s): 中野貴之、青木徹
  • Organizer: 本結晶成長学会ナノエピ分科会「第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
  • Invited
• [Presentation] BGaN-MOVPE法におけるキャリアガスとホウ素原料の影響 (2019)
  • Author(s): 清水勇希、江原一司、新宅秀矢、井上翼、青木徹、嶋紘平、小島一信、秩父重英、中野貴之
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
• [Presentation] BGaN結晶成長におけるTMB流量依存性の検討および中性子検出器の開発 (2019)
  • Author(s): 太田悠斗、高橋祐吏、丸山貴之、山田夏暉、中川央也、川崎晟也、宇佐美茂佳、本田善央、天野浩、嶋紘平、小島一信、秩父重英、井上翼、青木徹、中野貴之
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
• [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/