Development of a method for calculating effective displacement damage doses in semiconductors and applications to space field

半導体の実効的な変位損傷量の計算手法の開発と宇宙分野への応用

岩元 洋介   ; 佐藤 達彦   

Iwamoto, Yosuke; Sato, Tatsuhiko

宇宙探査等の放射線環境下で使用される半導体デバイスの寿命を決定する指標として、非電離エネルギー損失から算出される変位損傷量(DDD)が利用されている。近年は、分子動力学シミュレーションから得られる材料の欠陥生成効率を考慮した、新しい指標の実効DDDが提案されている。そこで本研究では、粒子・重イオン輸送計算コードシステムPHITSにおいて、代表的な半導体材料である炭化ケイ素(SiC)、ヒ化インジウム(InAs)、ヒ化ガリウム(GaAs)、及び窒化ガリウム(GaN)に対して、従来のDDDと実効DDDを計算できる手法を開発した。その結果、ヒ素化合物であるInAs及びGaAsにおいて、アモルファス化により欠陥数が増える効果を含む実効DDDが従来のDDDよりも約2倍大きくなること、SiCにおいては欠陥の再結合によりその関係が逆転することがわかった。本計算手法とPHITSの宇宙線線源機能を活用することで、宇宙探査等の放射線環境下における半導体デバイスの放射線損傷評価が可能となる。

The displacement damage dose (DDD) has been used as an index to determine the lifetime of semiconductor devices used in space radiation environments. Recently, a new index, effective DDD, has been proposed, which takes into account the defect generation efficiency of materials obtained from molecular dynamics simulations. In this study, we developed a method to calculate both conventional and effective DDD for typical semiconductor materials such as SiC, InAs, GaAs, and GaN in the PHITS code. As a result, in the arsenic compounds InAs and GaAs, the number of defects increases due to amorphization and the effective DDD is larger than the conventional DDD, while in SiC the relationship is reversed due to defect recombination. The improved PHITS can be used to calculate the effective DDD of semiconductors in cosmic ray environments, and PHITS can make a significant contribution to the evaluation of radiation damage of new semiconductor devices in space.