真空ナノエレクトロニクス第１５８委員会
第９９回研究会

絶縁材料の放射線耐性
秋吉 優史

RICRIED

Radiation Induced
Conductivity
照射誘起電気伝導

Radiation Induced
Electrical Degradation
照射誘起電気絶縁劣化

電離放射線の照射により、価電子帯の電子がバンドギャップを超えて伝導体に励起される事で生成される自由電子とホールが、電場に従って移動することで電気伝導を誘起する。
線量率に大きく依存するが、自由電子とホールの再結合率が線量率に伴い変化するため非線形に変化する。

電場をかけながら絶縁体のセラミックスに放射線を照射すると起こる、不可逆な絶縁劣化。
弾き出し損傷・電子励起・電場が同時に存在し、点欠陥が適度に移動しうる温度で誘起される。
結晶中に金属コロイドが生成することによるとされる。

RIC

RIED

Radiation Induced
Conductivity
照射誘起電気伝導

Radiation Induced
Electrical Degradation
照射誘起電気絶縁劣化照射の間だけ励起される
電気伝導

永久的に残る
絶縁破壊

RIC の例
プロトン及び X 線照射によるα-Al2O3への照射誘起電気伝導の温度依存性

プロトン照射X線照射

未照射
G.P. Pells, Rad. Effects., 97 (1986) 199

線量率増加による電子ホール対の生成速度増加

空孔濃度
定常フェルミ準位の変化により、再結合の起こる確率が線量率に伴って上昇

RIC は照射線量率に対して非線形σi = δφi d（ σi : 照射下の電気伝導度、δ: 定数、φi : 照射線量率 ）G.P. Pells, J.Nucl. Mater., 155/156 (1988) 67

プロトン照射によるα-Al2O3 への RIC 線量率べき指数 d の温度依存性

照射時
(RIC)

450℃で 1.8MeV プロトン照射を行ったα-Al2O3 の電気伝導度変化。
照射は 130V/m の電場中で行われ、線量率は 2800Gy/s に相当する

照射後(RIED)

E.R. Hodgson, Cryst. Lat. Def. Amorph. Mater., 18 (1989) 169

K. Yasuda et al., J. Nucl. Mater.,
329-333 (2004) 1451

483℃、100kV/m の電場下で 100keV He+ イオン照射した
α-Al2O3 中に析出した Al コロイドの例

入射粒子による欠陥導入形態の違い
中性子照射
透過力の高い E>0.1MeV の高速中性子により試料全体に均質に欠陥が導入される。
Primary Knock-on Atom (PKA) をはじき出した後は狭い領域に欠陥が集中し、カスケードを形成する。

イオンビーム照射
電子励起によりエネルギーを失っていき、ブラッグピーク付近に集中的に欠陥が導入される。
PKAをはじき出した後の挙動は中性子照射と似ていて、カスケードを形成する。

電子線照射
30MeV の電子線は、セラミックス中でおよそ 10cm 程度の飛程を持つが、平均 PKA エネルギーは 225eV にとどまるため損傷関数は 3.75個となり、フレンケル対などの点欠陥のみが導入されると考えられる。

照射カスケードnPrimary Knock-on Atom(PKA)
Secondary Knock-on Atom

入射粒子がある格子原子をはじき飛ばすと、その原子は Primary Knock-on Atom (PKA)となり、この原子がまた別の格子原子をはじき飛ばす。
エネルギーが高いうちは弾き出しの確率は低いが、電子励起により徐々にエネルギーを失い、速度が落ちてくると弾き出しの断面積が増加するため、次々と弾き出しを起こして止まる。
この終端付近の連続して弾き出しが起こる領域を照射カスケードと呼び、瞬間的にその領域にエネルギーが解放されるため超高温状態となり、局所的な溶解状態となる。

Primary Knock-on Atom(PKA)
物質に入射したイオンビームはそのほとんどのエネルギーを電子励起により徐々に失い、それに伴い阻止能が増加し、核的な衝突を起こす。弾性散乱された物質の原子はさらに他の原子をはじき飛ばしカスケードを形成する。

e-e-

弾性散乱
（弾き出し）

e-

核的衝突
e-e-

電子励起・電離e-

イオントラック
ブラッグピーク
入射粒子がエネルギーを失う過程では極めて多数の電子が励起・電離され、その一部は照射後も残る電子的欠陥として蓄積される。
この電子的欠陥を多く含む、入射イオンの通り道をイオントラックと呼ぶ。

阻止能

γ線・X線と物質の相互作用
トムソン散乱弾性散乱。入射光のエネルギーが変化しない散乱過程。

光電効果

軌道電子に入射光子のエネルギーを全て与えて、軌道エネルギーを差し引いたエネルギーを持つ高速電子（光電子）を生成する。断面積は入射光子のエネルギーの-3.2乗に比例する。

コンプトン散乱

軌道電子に入射光子のエネルギーの一部を与えて、高速電子（コンプトン電子）を生成する。散乱後のエネルギーは散乱角に依存し、連続スペクトルとなる。

電子対生成

入射光子のエネルギーが 1.022MeV 以上の場合、原子核近傍のクーロン場中で電子と陽電子の対を生成する。入射光子は全エネルギーを失い消滅し、電子・陽電子の静止質量エネルギーの残りは運動エネルギーとして分配される。

光核反応

高エネルギーの光子が原子核と直接反応し、様々な素粒子が放出される。Z=50程度の核種では中性子の結合エネルギーが10MeV程度であり、これ以上のエネルギーの光子の入射により(γ、n)反応を起こして中性子が放出される。

弾き出し欠陥

フレンケル欠陥

ショットキー欠陥主な格子欠陥の例

空孔
Vacancy・最も基本的な格子欠陥の一つ。結晶格子を構成する原子がはじき飛ばされてあるべき格子点に原子がない状態となった欠陥。
・空孔そのものは基本的に結晶格子間隔を縮小する（縮める）方向に作用する。ただし、イオン結晶に於いては静電的反発力により、逆に膨らむ方向に作用する。
・空孔は高温にならないと余り移動しない。セラミックスに於いては概ね1000℃前後で動き始めると考えられている。
・原子レベルの像を捕らえることができる高分解能透過電子顕微鏡観察（HREM）でも、単一の空孔を観察することはできない。
・セラミックスはフォノンにより熱を伝達しており、空孔が導入されるとこのフォノンを散乱するため熱が伝わりにくくなる。

格子間原子Interstitial atom

・空孔と共に最も基本的な格子欠陥の一つ。結晶格子を構成する原子の間に原子が入り込んだ欠陥。
・格子間原子は結晶格子間隔を拡大する。
・格子間原子は比較的低温でも移動する。セラミックスに於いては概ね400℃前後で動き始めると考えられている。
・空孔同様に高分解能透過電子顕微鏡観察（HREM）でも、単一の格子間原子を観察することはできない。
・空孔とは異なり、格子間原子は原子が密に充填した状態となるため、熱伝導に与える影響は空孔ほど大きくはないと考えられている。

転位
Dislocationb

S

F S
すべり面

F

完全格子

刃状転位
(Edge Dislocation)・格子面が一層余分に入ったり抜けたり、面内でずれたりする欠陥で、刃状転位とらせん転位、及びその混合転位がある。
・格子間型の刃状転位を例に取ると、一層余分に入ったエッジの部分以外は歪みは緩和されており、完全格子となっている。このため、空孔・格子間原子が0次元の点欠陥であるとすると、転位は一次元の線欠陥であると言える。
・格子間型の刃状転位は結晶格子間隔を拡大する。ただし、孤立した格子間原子が与える歪みの和よりも、集合欠陥である転位が与える歪みは小さい。
・金属では挿入された面に垂直な、すべり面上ですべり変形が起こり、マクロな変形の原因となるが、セラミックスではすべり変形は出来ず、単に欠陥のシンクとして働く。

転位線が結晶内部で無限に続いているのではなく，有限の長さである場合余分に挿入された面の全周が転位線となる。

転位ループ
Dislocation Loop

転位線に働く張力により，転位線が丸いループ状となる。
→ 二次元の面欠陥

ボイド
Void

バブル
Bubble・空孔が3次元的に集合して形成される欠陥がボイドであり、中には何も入っていない。
・それに対してヘリウムなどのガス原子が集まって出来た泡がバブルであり、中にガスが入っているかどうか分からない空隙はキャビティなどと呼ばれたりする。
・ボイドは弱い格子収縮効果があるが、個別の空孔が与える寄与の合計よりも小さい。
格子間原子の寄与と差し引くと、プラスとなってしまう場合が多い。
・バブルはガス圧により弱い格子膨張作用がある。
・低温での照射直後には存在せず、アニールにより1000℃以上で生成する場合がある
が、結晶中に残っていた空孔をかき集めただけなので量は少ない。1000℃以上の高温で照射した場合次々に生成する空孔のシンクとなるため、大量に生成する。

nn

空孔(vacancy)

高温
格子間原子(interstitial atom)

高速中性子による格子原子のはじき出し

空孔-格子間原子対の蓄積

対消滅と対生成が次々と起こる一方、格子間原子同士の対が形成される

格子間原子の移動度が大きくなる

低温
n

核反応

格子間型転位ループ(interstitialdislocation loop)

さらに

高温

温度により決まる一定の点欠陥濃度で安定再結合半径以内に生成した格子間原子-空孔の対消滅

格子間原子対は移動せず次々と格子間原子を吸収して転位ループを形成する

ボイド(void)

空孔同士が集合し空孔対やボイドを形成する欠陥成長
他の格子間原子と接近して格子間型転位ループの形成、成長＞

格子間原子バイアス効果

転位ループからの離脱
高温
空孔との再結合
対消滅
カスケード上書きによるリセット

格子間原子との再結合
格子間原子の方が移動してきての再結合

低温

空孔

＞

格子間型転位ループと結合して消滅
バイアス効果他の空孔と接近してボイド形成、成長
金属の場合空孔型転位ループもあり得る。

結晶の欠陥導入状態評価
XRD
スエリング
点欠陥，ボイド，バブル，転位ループ，粒界クラックなどの複合的発現

点欠陥，転位ループなどによる格子歪み（異方性の検出可）

熱拡散率
フォノン伝導が主のセラミックスでは点欠陥，特に空孔濃度を選択的に反映

相補的な測定による相補的な測定による欠陥導入状態評価
欠陥導入状態評価
透過電顕観察ある程度の空間的広がりを持つ構造か，規則的な周期構造として配列した格子を観察可能（点欠陥は見ることが出来ない）

陽電子消滅寿命
主に空孔やその集合体の導入状態を評価可能。

TEM 観察例

α-Al2O3 に導入された転位ループ
ボイドと粒界クラック

10nm

AlN に導入された転位ループ（観察面は{100}面）と粒界クラック

TEM 観察例

β-Si3N4 に導入された転位ループ（観察面は(001)面）

β-SiC に導入された転位ループ（観察面は(001)面）

4種類の材料間でのスエリングの比較
ID
T61
T63
T64
T65
T67
T68

照射量 照射温度262
α-Al2O3(℃)(10 n/m )2.8502
1.110
3.95911.770
7.35622.590
4.2731
2.260
3.77381.960
6.97662.300

スエリング(%)
AlN
β-Si3N42.000
0.193
1.920
0.355
2.240
0.397
2.000
0.229
1.780
0.1612.300
0.303

β-SiC
0.417
0.399
0.304
0.445
0.351
0.535

α-Al2O3 , AlN とβ-Si3N4, β-SiCとの間で明らかな差がある

CMIR-4 及びCMIR-5 T6x 棒状試料の照射後スエリング測定結果

転位ループの導入形態モデル

α-Al2O3, AlN 中での転位ループのパイルアップモデル

β-Si3N4, β-SiC 中でのナノパーティション構造