Development of an electron track-structure mode for arbitrary semiconductor materials in PHITS

PHITSにおける任意の半導体物質に対する電子線飛跡構造解析モードの開発

平田 悠歩   ; 甲斐 健師   ; 小川 達彦   ; 松谷 悠佑*  ; 佐藤 達彦   

Hirata, Yuho; Kai, Takeshi; Ogawa, Tatsuhiko; Matsuya, Yusuke*; Sato, Tatsuhiko

半導体検出器の設計を最適化するには、半導体物質内において放射線がキャリア(励起電子)に変換されるまでの過程を理論的に解析する必要がある。本研究では、任意の半導体物質に対し、放射線により生じる二次電子の挙動を極低エネルギー(数eV)まで追跡し、励起電子が生成される過程を模擬できる機能(ETSART)を開発し、PHITSに実装した。具体的には、ETSARTを用いて計算した電子の飛程はICRU37で推奨されたデータ別の計算結果と一致することを確認した。さらに、半導体検出器の特性を表す重要な指標である、一つの励起電子の生成に必要な平均エネルギー(値)について検討し、これまで値とバンドギャップエネルギーの関係は単純な直線モデルで考えられていたが、その関係は非線形関数であることを明らかにした。ETSARTは半導体検出器の最適化設計や応答解析に留まらず、新しい半導体物質の特性評価への応用も期待できる。

Optimization of semiconductor detector design requires theoretical analysis of the process of radiation conversion to carriers (excited electrons) in semiconductor materials. We, therefore, developed an electron track-structure code that can trace an incident electron trajectory down to a few eV and simulate many excited electron productions in semiconductors, named ETSART, and implemented it into PHITS. The accuracy of ETSART was validated by comparing calculated electron ranges in semiconductor materials with the corresponding data recommended in ICRU Report 37 and obtained from another simulation code. The average energy required to produce a single excited electron (epsilon value) is an important value that describes the characteristics of semiconductor detectors. Using ETSART, we computed the epsilon values in various semiconductors and found that the calculated epsilon values cannot be fitted well with a linear model of the band-gap energy. ETSART is expected to be useful for initial and mechanistic evaluations of electron-hole generation in undiscovered materials.