2021 Fiscal Year Final Research Report

Development of thermal neutron imaging sensor using BGaN semiconductor detector

Research Project

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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
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
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.
Free Research Field	半導体結晶成長
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。