A01 DT中性子計測への応用をめざした高品質単結晶ダイヤモンドの合成と特性評価北海道大学大学院工学研究科金子純一特定領域「プラズマ燃焼のための先進プラズマ計測」シンポジウム拡大総括班平成17年度第一回会合ダイヤモンド放射線検出器の特性及び開発目標特長・高耐放射線性（共有結合？）・高温動作可能（大きなバンドギャップ：5.5eV）・高速応答（高移動度μe：2000cm2/V･sec）・可視光不感・14MeV中性子と炭素の12C(n,α)9Be反応核融合炉のためにあるような半導体材料!! 開発目標・12C(n,α）9Be反応を利用した、D-T核融合炉におけるプラズマイオン温度測定用14MeV中性子エネルギースペクトロメータ・高温・高放射線環境下においてエネルギー分析可能な人工ダイヤモンド放射線検出器の実用化ダイヤモンド検出器によるプラズマイオン温度測定飛行時間法に必要な領域電極電極ダイヤモンド 9Be n α0 印加電圧 14MeV中性子の測定原理ダイヤモンド放射線検出器 ITER DIAGNOSTICS ,ITER DOCMENTATION SERIES NO.33(1991), IAEA,p.p.42-46 より測定方法飛行時間法検出効率寸法[m3] 備考 3×10-4 2×5×6 サイズに難反跳陽子法 10-4∼10-5 0.4×1×2 ダイヤモンド検出器 10-3∼10-5 小さい実現すれば理想的 10-3 小さい耐放射線性に難シリコン表面障壁型検出器検出効率に難これまでの14MeV中性子に対するダイヤモンド放射線検出器の性能 200 2500 12 12 C(n,n)12C 12 C(n,n')12C* C(n, n) C 2000 12 C(n, n')12C∗ 計数率；∼104cps 1500 12 9 C(n,α ) Be 1000 500 150 カウントカウント 12 計数率；∼30cps 12 C(n,α )9Be 12 C(n,n')3α 100 50 12 0 0 C(n,n')3α 2 4 6 0 8 10 エネルギー [MeV] (a) 最良の天然IIa型ダイヤモンド※1 エネルギー分解能1.95％（連続値）方法；連続測定 0 2 4 6 8 10 エネルギー [MeV] (b) 高圧高温合成IIa型ダイヤモンド※2 エネルギー分解能9％測定方法；最大45分間を複数回測定し積算プラズマイオン温度測定にはエネルギー分解能2％が必要。人工ダイヤモンド(HP/HT IIa型)は空間電荷の蓄積による分極現象が顕著であり、エネルギー分解能も不十分。 ※1 A.V.Krasilnikov et al., Rev. Sci. Instrum., 68(4), April (1997) p.1722. ※2 J. Kaneko et al., Rev. Sci. Instrum., 70(1) (1999) p.1102 CVD単結晶ダイヤモンド検出器の現状と問題点スペクトロメータグレードCVD単結晶の合成 1997 2002 住友電気工業デ・ビアスダイヤモンド高いエネルギー分解能と計数率を達成!! しかし、歩留まりが非常に悪い 500 カウント 400 印加電圧: 400V (5.71kV/cm) Gain:0.40×1k, ST:2μs 300 200 100 0 736 768 800 832 864 チャンネル住友電気工業製CVD単結晶ダイヤモンドを用いた α線エネルギースペクトル測定例 *1 *1 J. H. Kaneko et al., Nucl. Instrum. Meth. A505 (2003) p.p. 187-190. *2 G. J. Schmid et al., Nucl. Instrum. Meth. A527(2004)p.p.554-561. デ･ビアス製CVD単結晶ダイヤモンドを用いた放射線検出器による14MeV中性子応答関数測定例図(b) *2 人工ダイヤモンドの現状(まとめ) 人工ダイヤモンドによる14MeV中性子エネルギースペクトロメータを実現するには極めて電気特性の良い理想的なダイヤモンドのバルク結晶が必要になる HP/HT IIa単結晶ＣＶＤ単結晶窒素：1∼0.1ppm 窒素・ホウ素：0.1ppm未満不純物ホウ素：0.1ppm 水素：∼100ppm 結晶性非常に優れているやや劣る（転位欠陥）厚さ制御薄くても100μmが限界容易に可能歩留まり良い極めて悪い HP/HT 不純物をいかにして低減するか CVD 結晶性と歩留まりをいかにしてあげるか HP/HTダイヤモンドの高純度化(研究課題の範囲) 高圧アンビルプラズマプラズマCVD 法により高純度多結晶ダイヤモンドを合成 CVDダイヤモンドを原材料とて HP/HT法によって単結晶化高品質単結晶ダイヤモンドの完成合成手順フィードバックループダイヤモンドの合成住友電気工業 (結晶合成委託先) 検出器の製作と特性評価北海道大学 (原研･FNS*) * 14MeV中性子応答関数測定で協力を仰ぐ。ただし、結晶合成･特性評価のスケジュールを考えるとH17年度中にFNSで実験が行えるかは不明。計画書では組織に入れていない。単結晶CVDダイヤモンドの歩留まり向上(研究課題の範囲) 1997年の段階では、20mm×20mmの面積で使えたのは2mm×2mm が2個程度半導体用大型基板の要求から大面積のCVD単結晶基板合成技術は劇的に向上。ただし、電気特性を重視した合成条件ではない。合成条件、高純度基板、オフ角制御、基板表面制御によるスペクトロメータグレード単結晶CVDダイヤモンドの合成オフ角付き基板はテラス状成長が容易で高品質結晶が合成しやすい。成長方向プラズマオフ角θ (100)成長面高純度ダイヤモンド基板 α線、パルスUVレーザーを用いたダイヤモンド結晶中の電荷キャリァ輸送特性評価 ∼ 14μm α 粒子 (5.486MeV, 0.8pJ) 213nm パルスUV レーザーオーミック電極 Q(t) ＋＋＋ −−− q ＋ − 正孔電子 100μm 正孔 0 電荷有感型前置増幅器 H.V. te 電子と正孔のドリフト距離の大きな開き Q(t) = q 0 /d ･(vete+vhth) ve：電子のドリフト速度 vh：正孔のドリフト速度 α 粒子の個数結晶厚さ >> α粒子の飛程 Q(t)：誘導電荷量 q 0 ：生成電荷量 d：結晶厚さ電子＋正孔 th エネルギースペクトル誘導電荷量 (Q) 自立膜の場合電子と正孔の挙動をそれぞれ分離して観測可能 t 電荷輸送特性評価に基づく結晶品質改善の例 1000 103 800 Count/Channel 104 1st trial [CVD polycrystalline] 2nd trial [CVD High Oriented] 3rd trial [CVD High Oriented] 約二桁の速度向上に成功 600 ) ) d d n n o o m m a a i i ) D D e d d e n e i t t l n n a t e e i i s r r O y lO l lr a a a i c i i r h h r ry t t t l g g o i i d tp dH H n s r ( ( (2 3 1 Drift Velocity (cm/sec) 10 5 400 200 102 103 104 105 Electric Field (V/cm) 106 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Induced Charge (Arb.) 電荷キャリアのドリフト速度の改善誘導電荷収集率の改善(α線による励起) 評価結果をベースに結晶合成手法を検討し結晶の電気特性を向上する 2005年5月16日 ICNDST-10 in つくばにてデ･ビアスに続く結果が出る!! イタリア･ローマ大学 Prof. M. Marinelli ○デ･ビアスクラスの単結晶合成・・・住友電工でも多分可能専門の人間が半年かけて条件を出し、合成装置もそれ専用にする必要がある・・・5000万円∼出せば可能(例: Spring-8・モノクロメータ用HP/HT単結晶ダイヤモンド) ○単結晶バルクの合成は手間と時間がかかるので、他人に頼むのは不可能ダイヤモンドコミュニティーのバックアップがあるので、合成装置が1台あれば、北海道大学で合成可能。プラズマCVDダイヤモンド合成装置 ∼2700万円核融合プラズマコミュニティーに安定してダイヤモンド検出器を供給するには、自前で合成する以外に選択肢無し。補足資料単結晶CVDダイヤモンド試料 α線評価結果例住友電気工業製CVD単結晶ダイヤモンド(ID#:CVD213): 寸法2.5×2.5×0.123mm gain:0.550×500 Shaping time:6μs 前置増幅器：キャンベラ社製 2003BT α線100％収集標準試料 +300V印加ＣＶＤ219 +300Ｖ印加ＣＶＤ219 -300Ｖ印加 50 1 -300V(24kV/cm) 40 CVD213(電子) -1 Counts Voltage (mV) 0 -2 HP/HT IIa (正孔) 30 20 CVD213(正孔) -3 10 -4 -5 0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 0 400 600 800 1000 誘導電荷量分布前置増幅器出力信号測定例ドリフト速度(cm/s)* 200 CH Time (ns) 移動度(cm2/Vs)* 平均自由行程(μm) 電子 3.0×105 13.1 9.6 正孔 4.2×105 16.9 5.3 * 24kV/cmにおける値レーザーによる自立膜測定手法の確立ＹＡＧレーザーサンプル住友電工製 HP/HT IIa 、厚さ0.3mm、両面Ti/Au オシロスコープ (アナログ帯域: 1GHz) 50Ω ５倍高調波 λ＝213nm ⊿ｔ＝100ps 4.0 3.5 3.0 2.5 Voltage(V) 電極(半透明) 2.0 1.5 1.0 0.05μF コリメーターダイヤモンド試料実験体系 10MΩ ＨＶミラー 0.5 0.0 -0.5 -1 0 1 2 3 4 Time(μｓ) UV パルスレーザー照射による HP/HT IIa型単結晶ダイヤモンドからの出力信号測定例。 α線評価済試料をもちいて測定法評価を行う。整合性の取れたデータ取得に成功。最初のピークについては光電効果の可能性大。さらに測定法の改良を進める。電荷キャリア捕獲準位の同定(研究課題の範囲) 現在準備中基本的に20k∼80k程度まで冷却するのがベスト!!でもお金が足りないのでとりあえずは常温でトライ!! ①α線で帯電させる（e or h をトラップ） α線Ｉ︵電流︶＋＋＋＋＋ ②光を赤外→紫外の方向で照射して漏れ電流を測定光Ｉ−Ｖ単色光源は神戸製鋼所から借用 225nm 励起光波長（フォトンエネルギー）積層型ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド放射線検出器単結晶CVDの歩留まり向上に対する一つの回答 Ti/Au電極 (30/20nm) グランドラインボロンドープ Al電極 CVDダイヤモンド (50nm) （500ppm, 数μm）ノンドープ CVDダイヤモンド HP/HT Ib型（100）ダイヤモンド基板金属マウント 20μm 1200 カウント / チャンネル信号読み出し線（正印加電圧） 1000 800 600 測定環境：真空中、室温線源：241Am線源 shaping time：10μs gain：0.8×500 ΔE/E=2.6％ 400 200 0 0 100 200 300 チャンネル試作検出器の構造図（断面） 5.486MeVα線に対するエネルギースペクトル測定例積層型構造（金属-絶縁体-半導体構造）を導入高圧高温合成ダイヤモンドでは極めて困難な、有感層膜厚20μmでかつ歩留まりの良いエネルギースペクトロメータグレードのダイヤモンド放射線検出器を実現多結晶CVDダイヤモンドは実用化寸前 !! 同じダイヤモンドでも、その電気特性はピンからキリまで。最高品質の多結晶ダイヤモンドであればここまでいけます。特に耐放射線性は結晶品質の影響を非常に大きく受けるので、各種試験を行う価値大!!!! 10000 HP/HT IIa(Hole) CVD(Electron) CVD(Hole) 250 200 150 100 50 0 Counts/Channel Counts/Channel 300 8000 Polycrystal CVD DEBEERS CVD Bias : +200V Neutron / 18830sec /20cps 6000 4000 2000 0 0 50 100 150 200 250 300 Channel Numbers 多結晶CVDダイヤモンドによる α線スペクトル測定例 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Channel Numbers 多結晶CVDダイヤモンドによる 14MeV中性子測定例計数率測定実験、耐放射線性実験等を行ってから中性子カメラへの適用の可否を判断してはいかがでしょうか? 多結晶高配向ダイヤモンドを用いた位置検出器位置検出器動作実験測定体系 5mm Oscilloscope 電極1 50Ω 電極2 レーザー Ch1 50Ω Ch２ボロンドープダイヤモンド高配向膜ダイヤモンド YAGレーザパルス幅：100psec 波長：213nm 周波数：10Hz 強度：1.8mW 高配向ダイヤモンド検出器写真