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2019 年度 実績報告書

BGaN半導体検出器を用いた熱中性子イメージングセンサーの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19H04394
研究機関静岡大学

研究代表者

中野 貴之  静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00435827)

研究分担者 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  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250)
嶋 紘平  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード中性子検出 / 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
研究実績の概要

中性子イメージングセンサーの実現に向けて、検出素子となるBGaN半導体検出器の高性能化に取り組んだ。
中性子捕獲元素であるB原子の高濃度化を実現するために結晶成長メカニズムの検証を行い、成長雰囲気がBGaN結晶成長にどのような影響を及ぼすかを評価した。BGaN成長時における表面吸着原子の脱離がGaN成長と比較して低温で発生していることを明らかにしてたことから、低温成長条件での成長雰囲気について詳細に検討を行った。一般的な化合物半導体結晶成長のキャリアガスに用いられる水素キャリアガス雰囲気では、低温成長条件においても表面でB原子が吸着せず脱離が活発であり結晶成長が困難であることが明らかとなった。窒素キャリアガスを用いた場合にはB原子が取り込まれやすくなり、B組成の高濃度化が可能であるが、2%以上のBNモル分率では格子不整合に起因した表面平坦性の劣化などが確認された。膜厚の増加に伴う表面平坦性の劣化も確認し、B組成と膜厚の関係性を考慮したデバイス作製が重要であることを明らかにした。
当初目標であったBNモル分率2%のBGaN結晶の作製を実現したが、デバイス特性への影響を考慮し、BNモル分率1.5%で厚膜結晶作製を実施し、20μmの結晶成長を実現した。
このような最適化した低温成長条件を用いてBNモル分率1.5%の7μmのBGaN結晶を用いてデバイス作製を行い、作製した7μm-BGaN pinダイオードにより中性子捕獲率の向上を達成し、デバイス作製の基礎技術を構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

BGaN結晶成長技術において成長雰囲気依存性を明らかにして、水素キャリアでの結晶成長が困難であり窒素キャリアを用いた低温成長が良いことを明らかにしたことで、高品質なBGaN結晶の作製の知見を得るに至っている。
厚膜成長技術も確立しており、7μmのBGaN結晶によるデバイス作製によって中性子検出効率の向上を実現したことから、デバイスプロセス技術の開発によりマルチチャネル検出器の実現が期待できる。

今後の研究の推進方策

BGaN結晶成長技術の基礎検討は継続して行いながら、再現性の高いBGaN結晶を用いてデバイス作製の検討を実施する。特に、チップサイズが検出特性に与える影響を詳細に検討することでp型GaN層を下部層に用いているpin構造の検出特性の影響について詳細に検討を実施する。
また、各チップサイズの検出器におけるα線・中性子検出効率について比較検証を行うことでチップサイズが検出効率に与える影響と中性子捕獲反応に及ぼす影響を明らかにする。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Evaluation of BGaN growth temperature dependence and fabrication of neutron semiconductor detectors2019

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      The 9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of neutron detection efficiency for BGaN semiconductor detectors2019

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      2019 IEEE Nuclear Science Symposium (NSS) and Medical Imaging Conference (MIC)
    • 国際学会
  • [学会発表] BGaN半導体中性子検出器のチップサイズ小型化2019

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] BGaNを用いた中性子半導体検出器の開発2019

    • 著者名/発表者名
      中野貴之、青木徹
    • 学会等名
      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」
    • 招待講演
  • [学会発表] BGaN-MOVPE法におけるキャリアガスとホウ素原料の影響2019

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      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」
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      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」
  • [備考] 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/

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公開日: 2021-12-27  

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