小 野 田 忍
独 立 行 政 法 人
日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構
量 子 ビ ー ム 応 用 研 究 部 門
半 導 体 耐 放 射 線 性 研 究 グ ル ー プ
O N O D A . S H I N O B U @ J A E A . G O . J P
T E L ： 0 2 7 - 3 4 6 - 9 3 2 4
宇宙放射線が半導体に及ぼす
三つの放射線影響
発表内容
1.
放射線と半導体
1.半導体を取り巻く放射線環境
2.半導体に対する 三つの放射線影響
2.
原子力機構・高崎量子応用研究所
γ、電子、イオン照射施設の紹介
1.トータルドーズ効果
2.はじき出し損傷効果
3.シングルイベント効果
3.
核反応と宇宙用半導体
1.地上中性子
2.高エネルギー・低エネルギー陽子
3.高エネルギー重粒子
4.
まとめ
2
半導体を取り巻く放射線環境
3
捕捉放射線
p・e
太陽フレア放射線
p・e・ion
銀河宇宙線
p・α・ion
半導体素子
・ 太陽電池
・ ロジック
・ メモリ
宇宙放射線
大気との核反応
p
m
p
p
p
p
p
n
n
n
n
n
半導体に対する三つの放射線影響
4
トータルドーズ効果
(TID : Total Ionizing Dose Effect)
多量の放射線が入射し、その電離作用によって引き起こされる。生成された電荷は、固
定電荷や界面準位を形成し、半導体素子の諸特性を劣化させる。累積線量効果とも呼
ばれる。
はじき出し損傷効果
(DDD：Displacement Damage Dose
Effect)
多量の放射線
が入射し、半導体結晶を構成する原子がその定常位置から
はじき出され
る
ことによって引き起こされる。はじき出された原子および空格子点は、欠陥準位を形
成し、半導体素子の諸特性を劣化させる。バルク損傷
(Bulk Damage)とも呼ばれる。
シングルイベント効果
(SEE : Single Event Effect)
1個の粒子
が入射し、電離作用により高密度の電荷が生成されることにより引き起こされ
る。生成された電荷が半導体素子中を流れることによって、一時的もしくは定常的な故
障が起こる。一般に、荷電粒子の
LET (Linear Energy Transfer)が大きいほど、電荷
量は多くなる。
半導体に対する三つの放射線影響
5
• トータルドーズ効果 ：多量のガンマ線等（~100kGy）
• はじき出し損傷効果 ：多量の電子線等（10
14~17
cm
-2
）
• シングルイベント効果：1個の重粒子（確率的）
運用期間
（照射量）
MOSFET
一時的な故障
（過渡現象）
宇宙放射線による半導体影響
捕捉放射線
陽子、電子（高フラックス）
太陽フレア放射線
陽子、電子（高フラックス）
銀河宇宙線
GeV/u以上の高エネルギー重粒子
（低フラックス）
地上中性子線
幅広いエネルギースペクトル
6
遮蔽により
X線・ガンマ線が発生し、
ICのTIDを引き起こす。はじき出し断
面積が小さいので
DDDは起こり難い。
電離能が低いので
SEEは起こらない
が、陽子では
SEEが起こることもある。
電子・陽子線が太陽電池の
DDDを引
き起こす。太陽電池には酸化膜がな
いので、原理的に
TIDは起こらない。
電離能が低いので
SEEも起こり難い。
エネルギーが高く遮蔽ができない。フ
ラックスが低いので、
TIDもDDDも引
き起こさない。
ICのSEEを引き起こす。
核反応生成物（
MeV級重粒子）がIC
の
SEEを引き起こす。
JAEA 高崎量子応用研究所
7
イオン照射研究施設(TIARA) 電子線照射施設(0.5 2MeV) 60Coガンマ線照射施設 60Coガンマ線照射施設 電子線照射装置(
250keV)高崎量子応用研究所 群馬県高崎市綿貫町
1233
http://www.taka.jaea.go.jp/index_j.html
ガンマ線照射施設（①
TID試験）
ICのトータルドーズ試験
9
高線量率試験
50～300rad/s（MIL-STD-883D等）
低線量率試験
0.01rad/s程度
60Co-γ線源
Al製照射箱
45cm
45cm
45cm
160cm
60Co-γ線源
Al製照射箱
45cm
45cm
45cm
160cm
照射試料
電子線加速器（②
DDD試験）
10
Cockcroft-Walton型
加速エネルギー: 0.5
2 MeV
電流: 0.1
30 mA
電子線加速器本体
太陽電池のはじき出し損傷試験（
1MeV e- & 10MeV p）
11
太陽電池への電子線照射
電子線 冷却水 太陽電池 吸着固定 真空ポンプ電子線
冷却水 照射用真空容器 太陽電池ホルダー陽子線
模擬太陽光源 （AM0）太陽電池への陽子線照射
太陽電池 ビームシャッター 試料ホルダー 模擬太陽光源 （AM0） 陽子線 I-V測定照射前後の電気特性評価の例
12
地上試験で得られた宇宙用Si
太陽電池の発電特性劣化
109 1011 1013 1015 1017 0 20 40 60 80 100 ■, □：PMAX ●, ○：VOC ▲, △ ：ISC 10MeV陽子線 1MeV電子線発生電力（
kW
）
経過日数（日）
きく６号の太陽電池
0
200
400
600
0
6
4
2
実測値
予測
運用終了
発生電力（
kW
）
経過日数（日）
きく６号の太陽電池
0
200
400
600
0
6
4
2
実測値
予測
運用終了
経過日数（日）
きく６号の太陽電池
0
200
400
600
0
200
400
600
0
6
4
2
0
6
4
2
実測値
予測
運用終了
人工衛星きく6号（ETS-VI）の宇
宙での発電の推移
放射線量 (/cm
2)
保存率
(%)
JAEA・JAXA共同研究
T
akasaki
I
on Accelerators for
A
dvanced
R
adiation
A
pplications
HX
HD
HE
TB
AVFサイクロトロン
（数百
MeV）
3MVタンデム（十数MeV）
LD
LC
TA
イオン照射施設（②
DDD試験、③SEE試験）
13
T
akasaki
I
on Accelerators for
A
dvanced
R
adiation
A
pplications
HX
HD
HE
TB
AVFサイクロトロン
（数百
MeV）
3MVタンデム（十数MeV）
LD
LC
TA
イオン照射施設（②
DDD試験、③SEE試験）
14
微小領域を狙い撃ちする
集束型ビーム
コリメート型ビーム
ブロードビーム
HD
HE
TB
HX
最も一般的な照射
最も一般的なシングルイベント効果試験法
15
ブロードビーム
荷電粒子の
LETが大きいほど、陽子や中性子のエネルギーが高い
ほど、シングルイベント効果は起こりやすい。
SEE
発生頻度
イオンの線エネルギー付与（
LET）
しきい値
飽和値
陽子や中性子のエネルギー
JAEA・JAXA共同研究
核反応と宇宙用半導体
①
地上中性子
②
高エネルギー・低エネルギー陽子
③
高エネルギー重粒子
②高エネルギー・低エネルギー陽子
宇宙空間における陽子の分布
17
The trapped proton population with energies > 10 MeV as predicted by the AP-8 model for solar maximum conditions.
②高エネルギー・低エネルギー陽子
陽子のエネルギースペクトル例
18
Comparison of fluxes predicted by three trapped proton models for an orbit similar to the International Space Station during solar minimum
Comparison of trapped proton models for an elliptical orbit during quiet conditions and the solar maximum time period
②高エネルギー・低エネルギー陽子
陽子起因のシングルイベント効果
19
J. R. Schwank et al., Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event Latch up, IEEE TNS 2005
重粒子の場合
しきい値
LET
②高エネルギー・低エネルギー陽子
高エネルギー陽子によるシングルイベント効果
20
MOSFET
一時的な故障
（過渡現象）
陽子入射
直接電離
＋核生成物による電離
しきい値
LETを超えた場合
シングルイベント効果が発生
重粒子の場合
しきい値
LET
=25MeVcm
2/mg
J. R. Schwank et al., Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event Latch up, IEEE TNS 2005
②高エネルギー・低エネルギー陽子
低エネルギー陽子のシングルイベント効果
21
B. Sierawski, et al., Impact of Low-Energy Proton Induced Upsets on Test Methods and Rate Predictions, IEEE TNS 2009
②高エネルギー・低エネルギー陽子
陽子のエネルギー範囲
keV領域～数百MeV
人工衛星の軌道によって大きく変わる
課題
高エネルギー（数百
MeV程度）の核反応
低エネルギー（
MeV程度）の核反応
ターゲット材料（
W、Ti、Cu、Si、O、etc）
22
③高エネルギー重粒子
重粒子のエネルギースペクトル例
23
③高エネルギー重粒子
重粒子によるシングルイベント効果
24
MOSFET
一時的な故障
（過渡現象）
重イオン入射
直接電離による電子・正孔対生成
（線エネルギー付与に依存）
一時的な故障発生
SEE
発生頻度
イオンの線エネルギー付与（
LET）
核反応
直接電離＋核生成物による電離
③高エネルギー重粒子
重粒子の核反応起因のシングルイベント効果
25
P. E. Dodd et al., Impact of Heavy Ion Energy and Nuclear Interactions on Single-Event Upset and Latch up in Integrated Circuits, IEEE TNS 2007
③高エネルギー重粒子
高エネルギー陽子によるシングルイベント効果
26
P. E. Dodd et al., Charge Generation by Secondary Particles From Nuclear Reactions in BEOL Materials, IEEE TNS 2009.
