宇宙用半導体・試験屋 様へ
Ver. 240529

宇宙用半導体試験・講義もどき
理研・仁科加速器科学研究センター
産業利用開発チーム
チームリーダー 吉田 敦

トピックス KWD
➢ SEE : Single Event Effect
TID ： Total Ionizing Dose effect➢ [eV] : 原子・原子核のエネルギー単位

RIBF施設共用事業 Home Page
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/➢ LET : Linear Energy Transfer= dE/dX [MeV / μm]➢ Range [μm] 飛程➢ Flux [個/cm^2/sec] 照射 Rate
Fluence [個/cm^2] 総照射量
➢ エラー断面積 [cm^2]

宇宙利用半導体・照射試験コース(E5A)
24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田1

地上用半導体は (あなたも)、２つのバリアで守られている

第１バリア
磁気圏ref) RIST ATOMICA
宇宙船搭乗員の放射線防護 (09-02-07-09)

第２バリア
大気圏

核反応～100km
東京～甲府間空気シャワー
太陽風電子、

オーロラ

バンアレン帯
地球半径の４倍

軽粒子しか届かない

東京～大阪間

静止軌道(36,000km)
地球半径の６倍● 被ばく： １次宇宙線 電子、陽子、重イオン線

地上

1気圧= 1kg/cm^2～ 鉛(ρ11) 90cm厚～水10m厚の遮蔽● 被ばく： ２次宇宙線 中性子、μ粒子線

残念ながら、月には 磁気圏 も 大気圏 も無いそうです…
星の中まで固まってるので24.05/28 見学案内

重力が弱くて空気が逃げたので理研・産業チーム・あ吉田

2

宇宙へ行く半導体の “辛さ”
《宇宙用》

《地上用》

シングル・イベント (SE) 効果 エラー《宇宙用》

Total Ionizing Dose 効果 エラー“多量の軽イオンビーム”(電子、陽子,α線)によるM“弾き出し”、”格子欠陥”

OS

で 材質特性が劣化

弾き出し損傷効果 : Displacement Damage
最近の半導体は ”高集積化” により、ビーム “1発” で エラーが発生する。

＝ “非イオン化”エネルギー損失(Non-Ionizing Energy Loss: NIEL）

総線量効果 : Total Dose (線量：[Sv], [Gy])例) M(金属) O(酸化膜) S(半導体) デバイス
３層間に固定電荷蓄積 : Charge Up[軽症] → ビット反転エラー (SE.Upset)[重症] → 回路が焼ききれる (SE.Burnout)

24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田→ Co-60 γ線 照射試験 など

3

“加速器”って何？ : 宇宙環境を地上で模擬試験をするためにイオン源“真空中”で原子をイオン化ーHV

加速器

原子核反応スピードを速くする

新しい原子核を創る(例） 線形加速器”プラス”
イオンビーム

ビーム核

加速電極

標的核

高温電子プラズマ

高周波電子銃

高電圧で引き出し“加速電極” を ビームがマイナス ： 入ってくる時
プラス： 出て行く時

電子をはぎ取って”プラス”イオンに※ (運動) エネルギーの単位
電子-１価

0V

１００ [ eV ]エレクトロン・ボルト＋100V
1 [eV] = 1.6E-19 [J]24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田※ 核子当りのエネルギー
9Be

陽子(p)

= 4個 = Be

中性子(n) = 5個

合計 “核子数 A” = 9個 = 9Be例) 100 eV / 9 = 11.1 [ A . eV ]安定核の時は [ eV / u ] と書く時もある4理研・仁科センターの 加速器 概要
仁科センター RIビームファクトリー(RIBF)● 国内２番目の高エネルギー● (水素) ～ウラン を加速し、RIビーム を生成● 多段階加速で高エネルギービーム
C, Ar, Kr, Xe など ※ H は pol.-d のみ● 半導体照射は 今の所 「RRC」 まで(11～135 MeV/u)△ 加速器の間に 荷電交換膜 ( Stripper ) あり
→ 高崎TIARAのようなカクテルビームは困難→ ビーム核種切替えに１～２日かかる△ 新施設 (高エネ学術) 利用の間は、旧施設 (半導体照射) が使えない→ ビームタイム日程が混雑
24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田

5

原子核の気持ち ： “世界観”, “非日常” ～人間サイズとの違い～

原子・原子核の大きさ

核反応に必要なエネルギーk = 1/(4πε0) ：クーロン定数e : 素電荷 = 1.6E-19 [C](e^2)/(4πε0) ～ 1.44 [MeV.fm]∴ 核反応にはMeV: メブ が必要

エネルギー が桁違いに大きい“非日常”の世界（温度目盛）
25 ℃

0.03 eV*1) ボルツマン定数ｋB = 8.62E-5 [eV/K]

ガスコンロ～1,700 ℃

0.17 eV

化学反応(分子反応)

太陽表面～6,000 ℃

0.52 eV

室温

お料理

太陽（熱力学的エネルギー *1）

太陽中心 ～13,600,000 ℃ ～1.17 keV ケブ
原子炉

eV ～ MeV メブ

熱核反応
ウラン核分裂理研の加速器 MeV ～ GeV ジェブ 核融合～核破砕反応→ “非日常” を逆手に取って 《儲けるには？》 → 高エネルギー で ミクロ な “パンチ力”
24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田

6

重イオンビームの ”パンチ力” = LET★ Linear Energy Transfer : dE/dx
重イオンビーム

エネルギー E
エネルギー損失 LET

線方向の、単位長さ当りのエネルギー 付与

stop

電離(速度： E＝15 A.MeV)+- + -++ - +-物質 ( Si )● ビームは、物質を電離(イオン化)して、自身はエネルギーを失い、止まる。
● 重いイオンほど・・・飛程(Range)は短い。

飛程 ( Range [μm] )[ A.MeV ]LET が大きい。

KrAr

⊿E

⊿X

C微分
[ MeV / (mg /cm 2) ]Kr

Si 中の深さ [μm]ArmaxLET

Bragg PeakC● LET曲線(Bragg Curve) の形状は、ビーム核種 と 標的核種 の組合せで決まる。

★ （LET： ビーム１発のパンチ力）
X （照射時間： パンチの数）＝ （Dose： 照射 ”線量” [Gy], [Sv]）→

Si 中の深さ [μm]★ LETの単位 : dE/dX の定義から明らか[MeV/μm]
材料屋用 (直観的単位、材料密度に注意)[MeV/(mg/cm^2)] 物理屋用 (密度込み、材質依存性が少ない汎用単位)
24.05/28 見学案内

今の所、「重イオンの ”ミクロな 大パンチ力”に代わるものが無い！」“Only One“ の 科学技術 → だから売れている。
※ 密度 [g/cm^3] * 厚さ [cm]
= 重さ [g/cm^2] 単位面積当たり

理研・産業チーム・あ吉田7

半導体試験に必要な LET、Range
Flux : ビーム粒子数 Rate
Fluence = ∫Flux dt : 時間積分

LET in Si [MeV/(mg/cm^2)]➢ デバイスの行先、耐用年数で試験ビーム核種が異なる
地球近傍： 短期間 : C～Ar, Fe
月、火星…： 長期間 ： ++ Kr～Xe➢ 高エネルギー なので 遮蔽困難
銀河宇宙線のエネルギー分布* ref.1)➢ 理研では、ビーム E を減衰させて広いLET範囲で試験が可能➢ ビームの飛程(Range [µm] ）がデバイス感応層まで届く事！
※ デバイス表面のモールド材等の厚さも考慮が必要。

➢ 空気中・半導体試験には、約50～100 A.MeV が最適
Total Ionizing Dose 試験

Single Event Effect 試験※ Range ～ 数mm は欲しい
高エネ過ぎると、核反応のゴミ多くなる* ref.1) ATOMICA_宇宙放射線の影響研究の現状 09-01-06-06 図1より
hｔｔps://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_09-01-06-06.html

24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田

8反応断面積って何？ : “エラー断面積” の気持ち – (1)“生物向け” に作ったスライドから× 断面積〇 「反応」断面積 です

対象標的 (細胞)の個数

気持ちは、ある「反応が起こる数」は、対象 (標的) の 「見かけの面積」 と、それを調べるために投げる「ボールの個数」と、「標的の個数」の ３つに比例する筈だ！という直感から考えられた単位です。

ボール (Beam)の個数

見かけの面積式で書くと、
Y = σ * Ibm * Ntg
Y ： 反応数 ( Yield ) ～致死率
σ： 標的の見かけの面積 → 断面積 (Cross section)
I bm： 投げるボールの(個数) ～ビーム強度
Ntg： 標的の”個数” ～細胞数

ミソは、細胞サイズ？
核サイズ？
DNAサイズ？

「見かけの面積」 ＝断面積 にこだわって議論する所です。

見かけの面積 → 幾何学的・断面積● 断面積は、単なる比例定数ではありません！
● 求めた面積の大きさが、思っていた標的の大きさと比べて大きいか？小さいか？を議論するための値です！

・ ボールは直球とします(カーブはダメ)例) 原子、原子核 の場合
核反応は、原子の大きさ(電子雲を含むサイズ)だと思っていたら、ラザフォードが実験したら、実測値はそれより小さくて、原子の中により小さい原子核がある事が発見された。
この様に、反応断面積は、”反応” に対する “対象物の大きさ” を議論できる重要な量です。

24.05/28 見学案内

理研・産業チーム・あ吉田・ ボールの進行方向から見て、対象に”当たりそう“ な面積が、“断面積” です。

9反応断面積の式 : “エラー断面積” の気持ち – (2)
ここで、式両辺の単位を合わせる必要 あり！
※ 断面積σの単位は、必ず [cm^2] とか [µm^2] で固定です！
反応数

Y＝[回、率、etc]
無次元量 ※1

断面積σ＊[cm^2]固定

ビーム強度I bm

標的数＊[個/cm^2]が必要

N tg

[個]
無次元量 ※２例） Total Dose Effect [ % ][個/cm^2]: Fluence例） Dose Rate Effect [ % / sec ][個/cm^2/sec] : Flux

反応断面積の定義式
Y = σ * Ibm * Ntg
Y： 反応数 ( Yield )σ： 断面積 (Cross section)
I bm： ビーム強度
Ntg： 標的数※1 無次元量とは？
SI単位系で無次元量という意味。
つまり、長さ(m)、重さ(g)、時間(sec)電荷(C:クーロン) などを含まない事。

標的数※２ 標的数とは？ 例） 核物理の場合
Ntg = 密度 * 面積 * 厚さ * アボガドロ数 NA / 質量数A[個] = [g/cm^3] * [cm^2] * [cm] * 6x10^23[個] / NA個集まった重さ[g]左図例）
σ ～ 3 x 10^(-7) [cm^2]= 3 x 10^(-7 + 4 x 2 ) [μm^2]= 30 [μm^2] = π * ( R / 2 )^2

Beamが通過する領域にある細胞 or 核 or DNA 数の事∴ R : 直径 ～ 6 [μm] の 断面積> 0.35μm 技術のSRAM
まあ、当たらずども遠からず。

ref.1)

半導体試験の・ Beam Spotサイズ
・ 感応領域？の”厚さ“
エラーブロックのサイズが推定可能

ref.1) JST CREST : JAXA 久保山
宇宙機システム用マイクロプロセッサにおけるディペンダビリティについて
https://www.jst.go.jp/crest/dvlsi/topics/081206ws/081206DVLSIWSkuboyama.pdf

24.05/28 見学案内

N tg とは？

ref.2) 日経XTECH 2015.12.18 記事 野沢
FPGA台頭の背景にあるハードワイヤード方式への回帰
https://xtech.nikkei.com/dm/atcl/mag/15/121000022/121000004/

理研・産業チーム・あ吉田10