ホ プ の放射線劣化耐性の保証方法

文献名 Hardness Assurance Methods for Radiation Degradation of Optocouplers 出 典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp.2649-2656, Dec. 2005 著者名 A. H. Johnston and T. F. Miyahira

対象 バイス ホ プ

実験設備 California Institute of technology／DAVIS 照射線種及び

エネルギー区分

PROTON 51Mev

単発現象又

積算線量効果の区分

積算線量効果

実験又 理論の区分 実験

1 要約

各種のホ プ の耐放射線保証方法 い 述

Trr reverse-recovery time 特性を用いたこの新しい診断方法 内部 LED の損傷 強い相関 関係を持 Trr 電気測定 け 得 、ホ プ のLED 未知 あ 場合、ＬＥＤ特 性を決め 一次 ータ し 使うこ 変位損傷 敏感 LED を使った バイス 、 ホ ン スタ利得の動作条件依存性 照射後特性 影響を与え 放射線耐性 LED を使った バイス 、ホ ン スタ特性 利得の劣化 変位損傷の正味の影響を決定す 上 共 重 要 あ

コ ン

この論文 、ホ プ の耐放射線保証方法 し LEDの特性、Trr、CTR測定 確認

いう の あ 又、ホ プ の LED の イン よっ 耐性 異 こ 大 い CTR 劣化 被曝量 ニア 依存し いこ 、放射線の感受性やマー ン 対し、誤 った結論を出し しまう可能性 あ この方法を探 あたっ プ ン5１MeV照射 評価し い の あ 、実際運用 知 たいの 、低エネルギーの評価 たい こ あ 10Mev 以 いの こ の評価 ータ 実際的 あ う

2 序論

ホ プ の放射線劣化 長年研究さ た その結果 ､ホ プ のタイプ よっ ､ ータ ル ー 劣化の影響 相対的 小さい ､変位損傷 よ 大 劣化を引 起こす この損傷を引

起こす3 の主要因 以 の お あ 1.LEDの劣化

2.ホ ン スタ しく ホ タ内の少数 ャ ア 命の低 こ よ ､フ 電流収集効 率 減少す

3.ホ ン スタのゲインの劣化

最 重要 要因 ホ プ 内 使わ い LED あ し し､ホ ン スタの特 性 LED劣化の間の複雑 相互依存 あ

この論文 ､よ 詳細 ホ プ の劣化 い 議論す この議論 ､耐放射線保証 ール し 使え 特別 診断方法 含め この方法 重要 あ ｡理由 ､ホ プ 個々の ニッ

通常処理の ッ の間 大 く く あ ｡

光結合 含ま 物理的要因 ､LED ホ ン スタの特性の変化 ､ホ プ の内部動作マ ー ンを大 く変化させ 要因

3 ホ プ

ホ プ ､多くの異 タイプ あ 1 のホ ン スタを使用した基本的 ホ プ を

図5.2.14-1 示す 内部LED よっ 放射さ 光 ､オープンコレ タのホ ン スタ 結合さ

図5.2.14-1 1 のホ ン スタ 構成さ たベーシッ ホ プ の イアグ ム

コレ ターベース間 ャン ション ､ホ イオー し 機能す 最 重要 電気的 ータ CTR (Current Transfer Ratio) あ CTR ､ホ ン スタのコレ タ電流 LEDの順電流 の比 あ ン スタのゲイン 類似し い ､CTRの値 相対的 低く､典型的 値 1

10の範 あ

この インのホ プ 広く使わ い 電気的 エネルギーを光 変換す プ セス

非効率 あ 典型的 範 し ､0.05%～0.2% あ ホ プ 内 使わ い LED

、 ほ ス ッ 化 さ い い 波 長 域 850nm～930nm の 、 両 性 ー プ さ た LED 良く使わ い 理由 ､高効率 あ ､シ コンの応答 良くマッチし い あ し し､両性 ープしたLED 変位損傷 敏感 あ その結果､異 LED を使用 した設計 改善し い ー あ た し､他部位 変更し い い

他 ､ ー ン ン出力を持ったホ プ あ こ ､オープンコレ タ 接続さ た イゲイン アンプ又 ア タル出力段を使った複雑 設計 あ こうした設計 よ 早いレスポンス 時間を与え [5] ､複雑 内部回路 よっ 放射線劣化の評価 更 難しく っ い このため､

ベーシッ ホ ン スタ 構成したホ プ 異 ､高い放射線レベル 意の故 起こ やすく

4 実験手順

(a) 研究のため 選定した バイス

数種類の異 タイプのホ プ この研究 評価さ た 基本特性を､表5.2.14-1 示す 表中 示した波長 ミ ル値 あ 唯一両性 ープさ たLEDを使用した4N49 ､変位損 傷 非常 敏感 あ 4N49 コマーシャルバー ョン JANTXバー ョン あ ､ ち 研 究 含めた この2 のバー ョン様 ッ ー 同一 ､高信頼性のJANTXバー ョン ､ バ ー ン イ ン 及 び 電 気 的 ス ー ニ ン グ 実 施 さ い 4N55 ､ コ マ ー シ ャ ル バ ー ョ ン

JANTXバー ョンを準備した

表5.2.14-1 評価対象 バイス

5 の バイス 、LED 異 のの、ベーシッ ホ ン スタ出力段を使用し い ホ ン スタの劣化 ホ プ の動作 相対的 寄与す 同時 、LED 異 こ 放射線劣化 大 く影響す

Agilent 社ホ プ 、表面エミッ 型の LED アセン 方式を使用し い このアプ ーチ

、他 ー 採用し い 横型の形態 比較し 、よ 良く LED ホ ン スタ間 ップ ン グさ い

表中の最後の2 の バイス 、 複雑 出力段を使用し い こ よ 、ホ ン ス タのゲインの影響 全体の劣化 寄与し い こ 、全体的 動作の改善 っ い 、 故 ニ ムを評価す こ 難しく 、測定 種類 限 く

放射線照射前後 の基本的 LED 特性を直接評価 よう ホ プ 加え 、 ス ー のLED 放射線試験した ホ ン スタのベース 直接ア セスす こ 、LED ほぼ同 等 測定をホ プ 行えた 、放射線 よ フ 電流収集効率の影響を無くすこ 可能

あ

(b) 放射線試験 手順

ホ プ ス ー のLEDを、UCD (University of California, Davis) 、51MeVのプ ン照射試験をした バイス 、照射中バイアス 印加せ 、全 ング ン 接地した LED の測定 、V-I 特性 出力電力を含めた この時、±0.2℃以内 維持 よう温度管理した ま た、相対 的 輝度出 力を 測定す ため 、ホ イ オー を使用 した ホ プ の測 定 、CTR, ホ ン スタのゲイン (ホ ン スタを単体 測定 よう コンフ グレーション した)、そ し LED の I-V 特 性 を 行 っ た ホ プ 、 測 定 中 温 度 管 理 を 行 っ た Agilent 4156B semiconductor parameter analyzerを測定す 時使用した Injection-enhanced annealing を最小限 抑え ため 、 ュー サイ ル 低くした

6N134の設計 、他のオプ プ 違っ い その バイス っ ル 測

定 ータ 、スイッチングのスレッショール 条件 相当す 入力電流 あ この ータ 、

出力の ン スタのコレ タ電流を測定し 、LED 入力電流をｽｲｰﾌﾟさせ 測定した この特 性 高利得アンプのため ほ 非線形 あ し し、閾値電流の測定 可能 あ

(c) Tｒｒ測定

LED 劣化評価 、Barry 等 、 イフタイム測定を使用した[6] また、彼 、この研究 使用

したLEDよ っ いresponse timeを持ったホ タを使用し 、LEDの周波数応答を

測定した 低注入条件 測定す ため 、順電流を 1mA し 測定した この順電流値 、定格 の1% あ 1mA 以上 評価を全く行わ った LED 劣化を評価す ー ータ し 、 光学的 出力 く、 イフタイムの劣化を使用した

この論文 、LED の イフタイムを測定す ため 、Trr を測定した Trr 、シ コン バイス [7] 対し 広く使わ い イオー の基本特性 あ そし 、III-V 族の イオー 適用 イオー を一定の電流 ルス 駆動させ い 時、Reverse Recovery Time (trr) 、 少数 ャ アの イフタイム (τ) 次の関係 あ わせ

) 1 ln(

R F

rr I

t =τ + I ⁽¹⁾

IＦ： イオー 順バイアス あ の順電流

IＲ：電流 ルス 正 負 スイッチさ た時 流 逆電流

図5.2.14-2 、典型的 reverse recoveryの波形を示す この論文 、trrを測定す 時、IＦ

IＲの比 2.4を使用した この比の時、少数 ャ ア イフタイム 、Trrの82% この利点 、 ホ タを必要 せ 、ホ プ 評価可能 あ いうこ

図5.2.14-2 Trr波形 5 LED劣化

(a) 基本特性

LED っ 、変位損傷 ほ い 支配的 劣化 ニ ム あ LED Co60γ線照 射 よっ 劣化す 、この影響 、電子のコンプ ン よ 変位損傷 よっ 起 の あ 、 電離損傷 よ 劣化 い

LEDの変位損傷 次の(2) 表さ [8]

KΦ I

I_o ⁿ

=

⎥⎦ −

⎢⎣ ⎤

⎡ 1 (2)

Io: 初期光強度

I : 放射線照射後の光強度

K: 放射線照射線源やエネルギー 依存す 損傷係数 Φ: 放射線照射フルエンス

n : ー ニ ム 依存す

この式の利点 、 ニア 関係 表せ い こ あ

図5.2.14-3 ､両性 ープしたAlGaAs LED n=2/3 した時の式(2) よくフ ッ し い こ を示す

図5.2.14-3 式(2)を使用(n=2/3)した時のAlGaAs LED(880nm)の 光強度劣化 プ ン照射量の関係

この n=2/3 の時の関係 ､順方向電流を一定 し プ ン照射した時､ほぼ全 の両性 ープ

したAlGaAs LED 対し ､観測さ [9]-[11] Io/I プ ン照射量の関係 グス ール

ニア あ 言え ャン ションLED ､通常n=0.8 1.1 した時の式(2) 表せ

n=1の時､Io/I プ ン照射量の関係 グス ール ニア あ こ を意味す LED 関わ 作業 ､典型的 動作範 あ 1mA 50mAの間の電流値 行わ た 図5.2.14-4 ､ GaAs LED 同様AlGaAs 対し ､n=2/3を使用した時の電流値の ー フ タ (式(2)) 順 電流の依存性を示す

高電流 損傷係数 小さく ため､高電流 損傷 小さく 損傷係数の ー 大体1mA(最大定格電流の1%) あ ､順電流 少 く 損傷係数 小さく

図5.2.14-4 AlGaAs LED GaA LED 対す 損傷係数(式(2)) vs. 順電流 (b) Recovery Time測定 の関連

AlGaAs LEDの放射線劣化 、 ニッ 間 相当 あ 2倍程度の差 、単一 ッ

の部品 観測さ たこ あ [10]

図5.2.14-5 、5 バイスのTrr測定結果を元 算出した イフタイム 損傷係数 依存し い こ を示す このよう 少数サンプル 、一番 い損傷係数 、一番少 い損傷係数 比 32% 高い

損傷係数 recovery time の間 ニア 関係 あ このこ 、照射前のTrrの測定 、

AlGaAs LED の放射線感受性の大ま 予測をす の 有効 ータ あ こ を示し い

図 5.2.14-5 の関係 、照射前の イフタイムの値 あ イフタイム 放射線照射量 共 劣

化す そし 、AlGaAs GaAs LEDの測定した結果 、 イフタイムの変化 被曝量 の間

ニア 関係 った[6],[8]

4N49内のLED 対し 、Trr 損傷係数 の間の関係 実験した この結果を図5.2.14-6 示

す この結果 、図5.2.14-3 示す ス ー のLED 得 た結果 よく似 い 4N49

のコレ タ-ベース間フ 電流 LED出力を評価す ため 使わ た

Trr 、ホ プ 毎 、広範 変化した 表5.2.14-2 、典型的 値を挙 い この測定

、30ns 以 の測定 難しい し し、Trr 損傷係数 の間の関係 適用 このよう 、 Trr 測定 、高い損傷係数を持った バイスを識別す の 有効 手段 あ この手法 、LED

明 ホ プ 対し 特 重要 あ

また、異 製造 ッ の評価 おい 重要 ホ ン スタのベース-コレ タ間電流を 使用したLED出力の間接的 測定 よ 比較を、図5.2.14-7 示す

図5.2.14-7 示す バイス 、 放射線 敏感 4N49ホ プ 放射線 敏感 い

LEDを使用した2 のAgilent製ホ プ あ 870nm LEDを使用したAgilent 製ホ プ

、4N49 比較し 、約20倍程度 ー 少 い 700nm LEDを使用したAgilent製ホ プ 、更 劣化 少 い た 、試験した 2 の ッ 間 大 差異 あった こ の結果

、コレ タ-ベース間をホ イオー し 使うこ LEDの出力を評価す こ 効果的 方法 あ こ を示し い た し、放射線耐性の高いLEDを使用したホ プ っ 、ホ イ オー の劣化 ホ プ の劣化 寄与す こ

6 ホ プ の特性

ベーシッ ホ ン スタを持ったホ プ の重要 特性の一 、CTR の電流依存性 あ

図5.2.14-8 、1～10mAの順電流動作を仕様 したホ プ の放射線照射前後の値 あ

低い順電流領域 、CTR 順電流 共 増加す 10%/1decade 以上 通常使わ 領域

、ホ ン スタ 高効率 動作す CTRのLED電流依存性 、低い順電流領域 比 、 減少す

LED出力 放射線 よっ 劣化したあ 、減少したLED出力 順電流依存性の高い低電流領 域 シフ す この電流依存性の効果 、CTR 対す LED劣化の効果を相対的 増加させ

図5.2.14-5 5 バイスのReverse Recovery Time測定結果を元 算出した イフタイム 損 傷係数 依存

図5.2.14-6 4N49内のLED し 、 Reverse Recovery Time 損傷係数 の 間の関係

表5.2.14-2 典型的 Trrの値

図 5.2.14-7 ホ ン スタのコレ タ-ベース間電流を使 用したLED出力の間接的 測定 よ 比較