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論文

Radiation response of silicon carbide metal-oxide-semiconductor transistors in high dose region

大島 武; 横関 貴史; 村田 航一; 松田 拓磨; 三友 啓; 阿部 浩之; 牧野 高紘; 小野田 忍; 土方 泰斗*; 田中 雄季*; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 55(1S), p.01AD01_1 - 01AD01_4, 2016/01

 被引用回数:6 パーセンタイル:43.79(Physics, Applied)

In this study, we report the effects of $$gamma$$-ray irradiation and subsequent annealing on the electrical characteristics of vertical structure power 4H Silicon Carbide (SiC) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) with the blocking voltage of 1200 V. The MOSFETs were irradiated with $$gamma$$-rays up to 1.2 MGy in a N$$_{2}$$ atmosphere at room temperature (RT). During the irradiation, no bias was applied to each electrode of the MOSFETs. After the irradiation, the MOSFETs were kept at RT for 240 h to investigate the stability of their degraded characteristics. Then, the irradiated MOSFETs were annealed up to 360 $$^{circ}$$C in the atmosphere. The current-voltage (I-V) characteristics of the MOSFETs were measured at RT. By 1.2 MGy irradiation, the shift of threshold voltage (V$$_{T}$$) for the MOSFETs was -3.39 V. After RT preservation for 240 h, MOSFETs showed no significant recovery in V$$_{T}$$. By annealing up to 360 $$^{circ}$$C, the MOSFETs showed remarkable recovery, and the values of V$$_{T}$$ become 91 % of the initial values. Those results indicate that the degraded characteristics of SiC MOSFETs can be recovered by thermal annealing at 360 $$^{circ}$$C.

論文

Surface modifications of hydrogen storage alloy by heavy ion beams with keV to MeV irradiation energies

阿部 浩之; 徳平 真之介*; 内田 裕久*; 大島 武

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 365(Part A), p.214 - 217, 2015/12

ニッケル水素電池の負極材として広く使用されている水素吸蔵合金LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$に対して、keVからMeVオーダー領域での重イオン照射を行い表面改質を図った。これまでに、水素吸蔵合金に対してイオン照射することで水素吸蔵能が向上すること、表面付近に形成された酸化被膜等により吸蔵能が影響されることを明らかにしている。そこで今回は、酸素イオンを選択し、試料表面付近に酸素注入できるkeVから内部まで侵入させることのできるMeVオーダーまでのエネルギーで、1$$times$$10$$^{16}$$cm$$^{-2}$$までのフルエンスを照射した。その結果、酸素イオン照射した試料は水素吸蔵初期反応速度が未照射に比べ数倍向上すること、表面付近に酸素を導入できるkeVオーダーの照射はMeVオーダーの照射に比べて水素吸蔵初期反応速度の向上に有用であることが判明した。

論文

Surface modification effects on hydrogen absorption property of a hydrogen storage alloy by short pulse laser irradiation

阿部 浩之; 下村 拓也; 徳平 真之介*; 島田 幸洋*; 竹仲 佑介*; 古山 雄太*; 西村 昭彦; 内田 裕久*; 大道 博行; 大島 武

Proceedings of 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP 2015) (Internet), 4 Pages, 2015/08

短パルスレーザー(ナノ秒,フェムト秒)を水素吸蔵合金表面層に照射し、水素吸蔵能向上を目指す表面改質実験を行った。レーザー条件をパルス幅100fsec、エネルギー0.2-3.4mJ/pulseとして、水素吸蔵合金LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$合金に照射することで表面の局所構造を変化させ、この吸蔵合金の初期水素吸蔵反応とレーザー照射との相関について調べた。その結果、フルエンスで2.0mJ/cm$$^{2}$$付近でのレーザー照射したサンプルは未照射サンプルに比べ、1.5-3.0倍水素吸蔵初期反応速度が速くなり水素吸蔵能が向上することを見いだした。これによりレーザー照射は水素吸蔵材料の表面改質に有効であると結論づけられる。

論文

Recovery of the electrical characteristics of SiC-MOSFETs irradiated with gamma-rays by thermal treatments

横関 貴史; 阿部 浩之; 牧野 高紘; 小野田 忍; 田中 雄季*; 神取 幹郎*; 吉江 徹*; 土方 泰斗*; 大島 武

Materials Science Forum, 821-823, p.705 - 708, 2015/07

Since silicon carbide (SiC) has high radiation resistance, it is expected to be applied to electronic devices used in harsh radiation environments, such as nuclear facilities. Especially, extremely high radiation resistant devices (MGy order) are required for decommissioning of TEPCO Fukushima Daiichi nuclear reactors. The development of radiation resistant devices based on Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FETs is important since MOSFETs can easily realize normally-off and low-loss power devices. In this study, we irradiated vertical power 4H-SiC MOSFETs with gamma-rays up to 1.2 MGy, and investigated the recovery of their degraded characteristics due to thermal annealing up to 360 $$^{circ}$$C. The drain current (I$$_{D}$$) - gate voltage (V$$_{G}$$) curves of SiC MOSFETs shift to the negative voltage side and the leakage of I$$_{D}$$ increased by irradiation at 1.2 MGy. After the irradiation, the MOSFETs were kept at RT for 240 h. By the RT-annealing, no significant change in the degraded electrical characteristics of SiC MOSFETs was observed. The degraded characteristics of SiC MOSFETs began to recover by annealing above 120 $$^{circ}$$C, and their characteristics reach almost the initial ones by annealing at 360 $$^{circ}$$C.

論文

Investigation of single-event damages on silicon carbide (SiC) power MOSFETs

水田 栄一*; 久保山 智司*; 阿部 浩之; 岩田 佳之*; 田村 貴志*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 61(4), p.1924 - 1928, 2014/08

 被引用回数:23 パーセンタイル:3.93(Engineering, Electrical & Electronic)

Radiation effects in silicon carbide power MOSFETs caused by heavy ion and proton irradiation were investigated. In the case of ions with high LET, permanent damage (increase in both drain and gate leakage current with increasing LET) was observed and the behavior is similar to the permanent damage observed for SiC Schottky Barrier diodes in our previous study. In the case of ions with low LET, including protons, Single Event Burnouts (SEBs) were observed suddenly although there was no increase in leakage current just before SEBs. The behavior has not been observed for Si devices and thus, the behavior is unique for SiC devices.

論文

Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register

Waldherr, G.*; Wang, Y.*; Zaiser, S.*; Jamali, M.*; Schulte-Herbr$"u$ggen, T.*; 阿部 浩之; 大島 武; 磯谷 順一*; Du, J. F.*; Neumann, P.*; et al.

Nature, 506(7487), p.204 - 207, 2014/02

 被引用回数:189 パーセンタイル:0.44(Multidisciplinary Sciences)

量子ビットが担う"重ね合わせ"という量子情報は、外部との意図しない相互作用により容易に壊されるので、量子エラー訂正無しでは量子コンピューティングは実現困難である。ダイヤモンド中のカラーセンターの一つであるNVセンターの単一分子に相当する単一欠陥を用いて、電子スピン1個と核スピン3個からなるハイブリッド量子レジスタを作製($$^{12}$$C 99.8%濃縮した合成ダイヤモンド結晶に電子線照射と熱処理によりNVセンターを形成)し、室温動作の固体スピン量子キュービットでは世界で初めて量子エラー訂正のプロトコルの実行に成功した。この方法はスケーラブルなので、フォールト・トレラントな量子操作を多量子ビットへ拡張することが可能となり、固体量子情報デバイス実現への道を開くものである。

論文

Synergic effects of ion irradiations (La, Ce) and alkaline pretreatment (KOH) on hydriding kinetic property of a Mm-Ni based alloy

阿部 浩之; 青根 茂雄*; 森本 亮*; 内田 裕久*

Journal of Alloys and Compounds, 580(Suppl.1), p.S219 - S221, 2013/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:67.03(Chemistry, Physical)

水素吸蔵合金の吸蔵能の1つに、水素吸蔵初期反応速度がある。今回、イオン照射による表面改質技術を目的に種々のイオンをMm-Ni系水素吸蔵合金に照射したところ希土類イオンであるLaイオン,Ceイオンが水素吸蔵初期反応速度を大きく向上させることが判明した。さらにこれらイオン照射後のサンプルをKOHアルカリ溶液にて化学処理を施した場合、イオン照射したサンプルよりも数倍の初期反応速度の向上が見られた。これら希土類元素は水素を吸収しやすい物質であるため、表面にLaやCeイオンを導入することで初期反応速度が促進されたと考えられる。さらにKOHのアルカリ溶液にて化学処理をすることで、表面酸化膜がエッチングされるとともに、カリウム原子が合金表面仕事関数を下げることで、初期反応速度が速くなると考えられる。

論文

Effects of ultra-intense laser driven proton beam on the hydriding property of palladium

阿部 浩之; 織茂 聡; 岸本 雅彦*; 青根 茂雄*; 内田 裕久*; 大道 博行; 大島 武

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 307, p.218 - 220, 2013/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.29(Instruments & Instrumentation)

荷電粒子照射による金属材料の構造変化や水素吸蔵特性を調べ、メカニズム解明に必要な基礎データを取得するとともに、水素吸蔵材料の高機能化に関する研究の一環として、レーザー駆動プロトンビーム(J-KAREN)において広エネルギー帯域(数十keV$$sim$$3.2MeV)のプロトンビームを水素吸蔵合金MmNi$$_{5}$$に照射し、その水素吸蔵能向上に対する有用性について調査した。また比較としてTIARAタンデム加速器、イオン注入器において、30keV$$sim$$6MeVプロトンビームを実用水素吸蔵合金に照射した。照射サンプルの水素吸蔵初期反応速度測定を実施し、未照射サンプルとレーザー駆動プロトンビーム、単色プロトンビーム照射との測定結果を比較した。その結果、未照射サンプルに対してレーザー駆動プロトンビームは十数倍の反応速度向上が見られた。一方、単色プロトンビーム照射実験の結果では未照射サンプルに比べ数倍程度の吸蔵能向上であり、このことより、広いエネルギー帯をもつレーザー駆動プロトンビーム照射の有用性が実証された。

論文

Local structure analysis of SmFe$$_2$$ and TbFe$$_2$$

米田 安宏; 小原 真司*; 伊藤 真義*; 阿部 浩之; 竹内 光明*; 内田 裕久*; 松村 義人*

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 38(1), p.109 - 112, 2013/03

超磁歪材料であるSmFe$$_2$$及びTbFe$$_2$$の局所構造解析を高エネルギーX線を用いた2体相関分布関数法(atomic pair-distribution function: PDF)によって行った。SmFe$$_2$$やTbFe$$_2$$の磁歪特性はイオン照射によってコントロールすることができるが、そのメカニズムを明らかにすることができた。イオン照射はSmFe$$_2$$及びTbFe$$_2$$のFe-Feの相関に作用し、Fe-Feの相関を選択的に分断する。これによってFe-FeのネットワークからSm-Sm及びTb-Tbのネットワークへと結晶構造の担い手が変化する。これによって磁歪特性が制御できることを示した。

論文

Applicability of redundant pairs of SOI transistors for analog circuits and their applications to phase-locked loop circuits

槙原 亜紀子*; 横瀬 保*; 土屋 義久*; 宮崎 良雄*; 阿部 浩之; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 丸 明史*; 森川 剛一*; 久保山 智司*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(1), p.230 - 235, 2013/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:72.96(Engineering, Electrical & Electronic)

デジタル回路において放射線耐性を飛躍的に向上させる技術として既に確立されているRadiation Hardening By Design (RHBD)技術の一つであるSOIトランジスタペアをカレントミラー回路等のアナログ回路にも拡大可能であることを検証した。具体的にはそのアナログ回路を適用したPLL回路を実際に作製し、TIARAサイクロトロン加速器を用いてイオン照射を実施した。その結果すぐれた耐放射線性を有することを確認した。

論文

Applicability of redundant pairs of SOI transistors for analog circuits

槇原 亜紀子*; 横瀬 保*; 土屋 義久*; 谷 幸一*; 森村 忠昭*; 阿部 浩之; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 丸 明史*; 森川 剛一*; et al.

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.119 - 122, 2012/12

これまでおもにディジタル回路へ使用していたSOI(Silicon On Insulator)とペアのトランジスタを配置する冗長化技術を活用したアナログ回路用の新たなRHBD(Radiation Hardening By Design)技術を提案して、PLL(Phase-Locked Loop)等のアナログ回路へ応用することで、その耐放射線の向上を検討した。この技術は、従来の三重の冗長系を組むRHBD技術に比べ、非常にシンプルであるとともに電力消費や面積増大の損失も比較的少ないという特徴を持つ。このRHBD技術を600MHz、0.15$$mu$$m技術でFD(Fully Depleted)SOI基板上に作製したPLLに適用したところ、LET(Linear Energy Transfer)が68.9MeV/(mg/cm$$^2$$)という高い値でも誤動作を生じないことが実証された。

論文

Development of ion photon emission microscopy at JAEA

小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.93 - 96, 2012/12

We have developed two systems to acquire two-dimensional maps of Single Event Effects (SEEs) by using focused microbeams. While the microbeam has many advantages for SEE testing, the transport and optimization of the microbeam requires much time and effort, especially for high energy heavy ions. Therefore the mapping system with less effort is required, and we are developing the Ion Photon Emission Microscopy (IPEM). Since the spatial resolution is determined by the spot size and the intensity of luminescence, the scintillator is one of the most important parts of IPEM. We propose that the diamond containing Nitrogen Vacancy (NV) centers can be used as a scintillator. For both diamond and YAG:Ce proposed by Sandia National Laboratories, the minimum spot size is a few micrometers. IBIL intensity from diamond is four times higher than that from YAG:Ce. Therefore, we propose that the diamond containing NV centers is a rival candidate of YAG:Ce for IPEM.

論文

Consideration of single-event gate rupture mechanism in power MOSFET

久保山 智司*; 水田 栄一*; 池田 直美*; 阿部 浩之; 大島 武; 田村 高志*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.138 - 141, 2012/12

パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)では、シングルイベントゲートラプチャー現象と呼ばれるデバイス中のゲート酸化膜が破壊を起こす現象が発生する。この現象によって引き起こされる故障モードは、宇宙放射線環境で使用される装置に重大なダメージを及ぼすためその発生メカニズム解明と対策が強く要求されている。今回、異なる構造を持つMOSFETを作製し、315MeV-Krイオン照射を行った。その結果ゲート酸化膜端にイオンがヒットした場合、発生するホットキャリアが基板内の電界を変化させソースとドレインが短絡して電流が増幅する新たな発生モードを観測した。

論文

Controls over structural and electronic properties of epitaxial graphene on silicon using surface termination of 3C-SiC(111)/Si

吹留 博一*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 遠田 義晴*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; et al.

Applied Physics Express, 4(11), p.115104_1 - 115104_3, 2011/11

 被引用回数:29 パーセンタイル:17.88(Physics, Applied)

Epitaxial graphene on Si (GOS) using a heteroepitaxy of 3C-SiC/Si has attracted recent attention owing to its capability to fuse graphene with Si-based electronics. We demonstrate that the stacking, interface structure, and hence, electronic properties of GOS can be controlled by tuning the surface termination of 3C-SiC(111)/Si, with a proper choice of Si substrate and SiC growth conditions. On the Si-terminated 3C-SiC(111)/Si(111) surface, GOS is Bernal-stacked with a band splitting, while on the C-terminated 3C-SiC(111)/Si(110) surface, GOS is turbostratically stacked without a band splitting. This work enables us to precisely control the electronic properties of GOS for forthcoming devices.

論文

Control of epitaxy of graphene by crystallographic orientation of a Si substrate toward device applications

吹留 博一*; 高橋 良太*; 阿部 峻佑*; 今泉 京*; 半田 浩之*; Kang, H. C.*; 唐澤 宏美*; 末光 哲也*; 尾辻 泰一*; 遠田 義晴*; et al.

Journal of Materials Chemistry, 21(43), p.17242 - 17248, 2011/11

 被引用回数:26 パーセンタイル:27.67(Chemistry, Physical)

Graphene is a promising material in the next-generation devices. Large-scale epitaxial graphene should be grown on Si substrates to take over the accumulated technologies for integrated devices. We have for this reason developed epitaxy of graphene on Si (GOS) and device operation of the backgate field-effect transistors (FETs) using GOS has been confirmed. It is demonstrated in this paper that the GOS method enables us to tune the structural and electronic properties of graphene in terms of the crystallographic orientation of the Si substrate. Furthermore, it is shown that the uniformity of the GOS process within a sizable area enables us to reliably fabricate topgate FETs using conventional lithography techniques. GOS can be thus the key material in the next-generation devices owing to the tunability of the electronic structure by the crystallographic orientation of the Si substrate.

論文

Low-energy-electron-diffraction and X-ray-phototelectron-spectroscopy studies of graphitization of 3C-SiC(111) thin film on Si(111) substrate

高橋 良太*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 末光 眞希*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(7), p.070103_1 - 070103_6, 2011/07

 被引用回数:29 パーセンタイル:17.88(Physics, Applied)

Epitaxial graphene can be formed on silicon substrates by annealing a 3C-SiC film formed on a silicon substrate in ultrahigh vacuum (G/3C-SiC/Si). In this work, we explore the graphitization process on the 3C-SiC(111)/Si(111) surface by using low-energy electron diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and compare them with that on 6H-SiC(0001). Upon annealing at substrate temperature higher than 1423 K, the 3C-SiC(111)/Si(111) surface follows the sequence of ($$sqrt{3}$$$$times$$$$sqrt{3}$$)R30$$^{circ}$$, (6$$sqrt{3}$$$$times$$6$$sqrt{3}$$)R30$$^{circ}$$ and (1$$times$$1)$$_{rm graphene}$$ in the surface structures. The C 1s core level according to XPS indicates that a buffer layer, identical with that in G/6H-SiC(0001), exists at the G/3C-SiC(111) buffer. These observations strongly suggest that graphitization on the surface of the 3C-SiC(111) face proceeds in a similar manner to that on the Si-terminated hexagonal bulk SiC crystals.

論文

Improvement of hydrogen absorption characteristics of Pd using irradiation of heavey ions

阿部 浩之; 青根 茂雄*; 森本 亮*; 内田 裕久*; 大島 武

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 36(1), p.133 - 135, 2011/03

これまでに、パラジウム(水素吸蔵材料)について、重イオン照射により欠陥導入させることで表面構造が乱れ、それにより表面改質効果が生じ、水素吸蔵能向上が見込まれることを見いだしている。本研究ではその表面状態についてさらに詳細な知見を得るため、表面仕事関数測定により電子状態を調べ、初期水素吸蔵反応速度との相関関係を調べた。照射イオンはNイオン,Crイオン,Agイオン,Xeイオン照射を実施し、ドーズ量は10$$^{14}$$$$sim$$10$$^{17}$$cm$$^{-2}$$とした。水素吸蔵反応速度測定により、イオン照射したPdは未照射Pdに比べ反応速度が3$$sim$$10倍速くなることを確認し、仕事関数測定ではイオン照射のドーズ量の増加に伴い、仕事関数値が負側へシフトすることが判明した。これより、イオン照射により表面構造が乱され、表面電子状態が不安定になった結果、水素原子が取り込まれやすい状態となり、初期水素吸蔵反応速度が速くなったと結論できる。

論文

Growth of Bi-Ti-O particle by ion implantation

米田 安宏; 阿部 浩之

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 36(1), p.23 - 26, 2011/03

イオンインプラント技術を用いた金属ナノ粒子の作製によって、光学素子や磁気材料のサイズ効果の研究が行われている。これに加えて近年、インプラントによって凝集した金属粒子を周囲の酸素と反応させて酸化物を作製する試みが行われるようになった。現在、酸化銅ナノ粒子の作製が行われているが、酸化物での作製が可能になれば強誘電体や超伝導体なのにも利用が広まる。われわれは、強誘電体に着目し、酸化チタンをホストとし、ビスマスを照射することによってチタン酸ビスマスを得る試みを行った。TIARAを用いて作製したBi-Ti-O系の粒子はインプラントされた金属ビスマスが酸化し、TiO$$_2$$中に酸化物として埋め込まれることをSPring-8において放射光X線回折実験によって確かめられた。

論文

Characterization of microdose damage caused by single heavy ion observed in trench type power MOSFETs

池田 直美*; 久保山 智司*; 丸 明史*; 平尾 敏雄; 阿部 浩之; 田村 高志*

Proceedings of 9th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-9), p.163 - 166, 2010/10

トレンチ構造パワーMOSFETは従来構造品よりも高性能であるが、1粒子の重イオンの入射によりマイクロドーズ効果に起因する大きな劣化がみられる。本研究では、重イオン照射実験を行ってマイクロドーズ効果を測定し、劣化を特徴付ける実験的パラメータを抽出した。マイクロドーズ効果は、溝型ゲートの壁面付近に壁面に沿って垂直にイオンが入射した際に影響が最大となることが判明した。複数の重イオンの垂直入射を行った試験データから、イオンの軌跡に沿って発生するマイクロドーズの影響範囲(等価的な幅及び長さ)及び等価ドーズ量を抽出することに成功した。その結果、イオンのLETが大きくなるとマイクロドーズ効果が影響を及ぼす等価長さがゲート酸化膜厚に近づき、1イオン粒子で大きな劣化が引き起こされることが判明した。また、これらのパラメータはシリコンの物性パラメータを用いてシミュレーションしたドーズプロファイルの結果とほぼ一致することがわかった。

論文

Phase transformation of Mg-Fe alloys

米田 安宏; 阿部 浩之; 大島 武; 内田 裕久*

Journal of Applied Physics, 107(9), p.093505_1 - 093505_6, 2010/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:92.7(Physics, Applied)

メカニカルアロイ(MA)法を用いて作製したMg-Fe合金の構造解析を行った。MA法を用いると15mol%までのMgがFeのbccサイトに置換する。従来の周期的構造を過程した平均構造と、ランダム系構造解析手法の一つである2体相関分布関数法(pair-distribution function, PDF)を組合せることによって、短範囲構造と長距離構造のつなぐ中間距離の構造を明らかにした。その結果、Mg-Fe合金はMg組成の変化に伴って2相混合状態からマルテンサイト状態へと相変化することがわかった。

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