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目的
目的
近年、宇宙開発や素粒子実験、放射線医療の進展に伴い、高い放射線環境下でも長期間利用可能な高時間分解能、高空間分解能かつ高感度の検出器が求められています。本プロジェクトでは、10 MGyの放射線環境で1 psの時間分解能を持つ半導体検出器の開発に取り組んでいます。
放射線耐性デバイスの応用例
研究計画
研究計画
電子線や陽子線照射時に生じる、はじき出し損傷(Displacement Damage Dose: DDD)効果は、原子間結合の強いワイドギャップ半導体を用いることで低減できると言われています。高精度の放射線検出には、信号強度が大きく、ノイズが小さいことが好まれます。ワイドギャップ半導体を用いれば室温動作が可能であり、その中でも原子番号の大きい元素を含む材料を用いれば、大きい信号を得ることができます。
私たちは、原子番号31のGa元素を含む、窒化ガリウム（GaN）を用いた放射線検出器の作製を行っています。2023年に世界で初めて縦型GaN PNダイオードを用いたSingle Strip検出器によるα線および重粒子線の位置検出に、2026年にPixel検出器による位置検出に成功しました。現在、世界最高の時間分解能を持つ次世代加速器用の粒子飛跡検出器の実現を目指して、GaN LGAD (Low gain avalanche detector)の作製に取り組んでいます。
陽子線照射によるGaN検出器のDDDの検証では、Si検出器よりも一桁程度高い、数 MGyの放射線耐性を持つことが分かりました。Xe照射によるSingle Event耐性やガンマ線照射によるTotal Ionizing Dose耐性の検証も行っています。
粒子位置検出器以外にも、高放射線環境での素子動作が求められることがあります。しかし、通常のワイドギャップ半導体（炭化ケイ素（SiC）やGaN）を用いても、数MGy以上の超高放射線環境では素子特性が劣化し始めます。
私たちは、更なる高放射線環境での素子動作を目指して、超ワイドギャップ半導体の素子劣化について調べています。ダイヤモンドを使ったショットキー障壁ダイオード(SBD)に陽子線照射したところ、10 MGyでも整流性を維持できることが分かりました。
また、ワイドギャップ半導体は可視光を吸収しないため、撮像素子には使えません。CIGS(Cu(In,Ga)Se)は、バンドギャップが1.1 eV程度の直接遷移半導体であり、イメージセンサ用材料として優れています。100℃程度の熱処理で特性回復が何度でも可能であり、10 MGy以上の高放射線環境でも動作させ続けることができることから、原発廃炉ロボット用カメラに向けて開発しています。
これらの放射線照射には共用の加速器（RARiS：陽子線、RIBF：重粒子線、TIARA：γ線）を利用しています。特に、RARiSにおいて独自の設計で、70 MeVの陽子線を最大10 MGy照射しながら、素子の電流-電圧特性をリアルタイムで測定しているのが特徴です。どの程度のドーズ量で素子が故障するか、特性劣化推移を見ることができます。
ユーザー用：HIMAC利用手順
成果・予算
成果・予算
2026/4/1 日本学術振興会/基盤研究(A) (分担)「シリコンを凌駕する新素材半導体を用いた粒子検出器の創出 」
2026/2/5 "GaN particle detectors with LGAD structure", CERN DRD3 (招待講演)
2026/1/8 「単一放射線粒子の位置をリアルタイムで正確に検出できる検出器を開発」Tsukuba Journal
2026/1/6 "GaN radiation detectors with low-gain avalanche diode structure " JJAP 65, 016501 (2026).
2025/12/18 "GaN材料の放射線耐性と粒子検出器", WideG, (招待講演)
2024/7/17 TIA2024かけはし助成金「高放射線耐性半導体を用いたイメージセンサー実証に向けた調査研究 」
2023/6/30 "Degradation of vertical GaN diodes during proton and Xe-ion irradiation" JJAP 62, 064001 (2023).
2020/4/1 TIA2022かけはし助成金「高放射線耐性半導体を用いたピクセル検出器に向けた調査研究」
2020/10/8 JST新技術説明会「放射線耐性に優れた半導体素子の開発」
2020/6/16 公益財団法人村田学術振興財団「高放射線耐性GaN検出器の開発」
2020/4/1 TIA2020かけはし助成金「高放射線耐性半導体を用いた重粒子線検出器の調査研究」
2019/8/29 イノベーションJAPAN 2019「放射線に負けないデバイスを使ってみよう！」
2019/4/1 つくば産学連携強化プロジェクト「放射線耐性に優れた半導体素子の開発」
2018/4/1 TIA2018かけはし助成金「高放射線耐性半導体検出器実現のための調査研究」
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