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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:39 パーセンタイル:2.32(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

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:4 パーセンタイル:61.14(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

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

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

久保山 智司*; 丸 明史*; 池田 直美*; 平尾 敏雄; 田村 高志*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(6), p.3257 - 3261, 2010/12

 被引用回数:15 パーセンタイル:24.12(Engineering, Electrical & Electronic)

パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)は人工衛星等の電源機器を構成するうえで不可欠な電子デバイスである。最近のLSIの高集積化によって3.3V以下の低電圧電源が必要となっており、現在、この電圧範囲でより高効率な動作が可能なトレンチ型パワーMOSFETの宇宙適用が検討されている。トレンチ型パワーMOSFETでは、単発の重イオン入射によって特性が大きく劣化する現象が発見されているが、カクテルイオンを用いた照射試験を行い、パワーMOSFETの閾値電圧の変化を解析した結果、この現象が微細領域におけるトータルドーズ効果の結果として発生することが明らかとなった。

論文

DICE-based flip-flop with SET pulse discriminator on a 90 nm bulk CMOS process

丸 明史*; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 槇原 亜紀子*; 平尾 敏雄; 久保山 智司*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(6), p.3602 - 3608, 2010/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:34.66(Engineering, Electrical & Electronic)

近年の微細化プロセス用を用いて作製された半導体回路は、放射線に対して非常に敏感になってきている。この問題を解決するため、シングルイベント誤動作(SET)に対して特に強いとされているメモリ回路であるDICE(Dual Interlocked Storage Cell)を基本にしたSET対策付きフリップフロップを、90nmバルクCMOSプロセスを用いて設計し、SET耐性について、現行のTMR(Triple Modular Redundant)との比較を行った。その結果、DICE回路は、TMRと同等のSET耐性を維持しつつ、小面積化が図れるという特長があることが明らかとなった。また、同プロセスにてDICEベースのSET対策付きラッチ回路を搭載したTEGデバイスを製造し、耐性評価を実施した。TIARA施設のカクテルビームを用いて、イオン入射角度依存性を調べたところ、ある限定した角度照射において、放射線感度が非常に高くなるという新たな現象が見いだされた。

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

DICE based flip-flop with SET pulse discriminator on a 90 nm bulk CMOS process

丸 明史*; 久保山 智司*; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 槇原 亜紀子*; 平尾 敏雄; 田村 高志*

Proceedings of 9th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-9), p.64 - 67, 2010/10

近年の微細化プロセスを用いて作製された半導体回路は、放射線に対して非常に敏感になってきている。この問題を解決するためシングルイベント誤動作(SET)に対して特に強いとされているメモリ回路であるDICE(DualInterlocked Storage Cell)を基本にしたSET対策付きフリップフロップを、90nmバルクCMOSプロセスを用いて設計し、従来のTMR(Triple Modular Redundant)技術と動作速度・面積について比較を行った。その結果、TMRとDICE回路を、同等のSET耐性を持つように設計した場合、DICEはTMRよりも動作速度・面積ともにアドバンテージがあることが明らかとなった。また、同プロセスにてDICEベースのSET対策付きラッチ回路を搭載したTEGデバイスを製造し耐性の放射線照射試験を実施した。TIARA施設のカクテルビームを用いてイオン入射角度依存性を調べたところ、ある限定した角度照射において、放射線感度が非常に高くなるという現象が見いだされた。

論文

Evaluation of element circuits constructing new radiation hardened SOI FPGAs

新藤 浩之*; 緑川 正彦*; 佐藤 洋平*; 久保山 智司*; 平尾 敏雄; 大島 武

JAEA-Review 2008-055, JAEA Takasaki Annual Report 2007, P. 5, 2008/11

活性層が薄くイオン入射に伴い発生する電子・正孔対の総量を抑制することができるため、耐放射線性半導体素子として期待される0.15$$mu$$mFD-SOI(Fully Depleted Silicon on Insulator)上に作製した、FPGA(Field Programmable Gate Array)要素回路の放射線耐性評価をAr 150MeV(LET: 15.1/(mg/cm$$^{2}$$)), Kr 322MeV(LET: 37.9/(mg/cm$$^{2}$$)), Xe 454MeV(LET: 60.6/(mg/cm$$^{2}$$))を用いて実施した。その結果、FPGAを構成する基本回路の一つであるConfiguration bitのSEUの発生要因として、OFF状態のトランジスタが一つだけ反転することでSETが発生するSTG(Single transient gate)モードと高LET粒子が冗長トランジスタを同時に駆動してしまうDH(Duble Hit)モードの2種類があることがわかった。さらにSEU反転断面積とLETとの関係において、STGモードではLETが40MeV/(mg/cm$$^{2}$$)以下でエラー発生が観測されないこと、一方DHモードではLETが60MeV/(mg/cm$$^{2}$$)以下でエラー発生が観測されない結果を得た。この結果は、従来のバルクシリコンで得られている閾値LET(LET:15.1/(mg/cm$$^{2}$$))と比較して2.6$$sim$$4.5倍も耐性が向上されている。さらにこの結果から、FPGA回路に対する耐SEUを改善するために必要なパラメータの取得ができた。

論文

Optimization for SEU/SET immunity on 0.15 $$mu$$m fully depleted CMOS/SOI digital logic devices

槇原 亜紀子*; 浅井 弘彰*; 土屋 義久*; 天野 幸男*; 緑川 正彦*; 新藤 浩之*; 久保山 智司*; 小野田 忍; 平尾 敏雄; 中嶋 康人*; et al.

Proceedings of 7th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-7), p.95 - 98, 2006/10

RHBD(Radiation Hardness by Design)技術を用いてSEU(Single Event Upset)/SET(Single Event Transient)対策ロジックセルを、沖電気の完全空乏型0.15$$mu$$m CMOS/SOI民生プロセスを用いて設計し、製造したサンプルデバイスの放射線評価を実施した。SETフリーインバータと呼ばれるSET対策付きインバータ構造を有するロジックセルは、非常に優れたSET耐性を示すが、面積・動作スピード・消費電力のペナルティも大きいため、本研究では、最低限の耐性を維持しつつペナルティを低減するための設計の最適化をMixedモードのTCAD(Technology Computer Aided Design)シミュレータを用いて行った。その結果、LET(Linear Energy Transfar)が64MeV/(mg/cm$$^2$$)までは、本研究により最適化されたロジックセルが宇宙用として有用であることを示した。

論文

Bulk damage observed in recent LSI devices

新藤 浩之*; 久保山 智司*; 池田 直美*; 大友 洋光*; 島田 修*; 平尾 敏雄; 松田 純夫*

Proceedings of 6th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-6), p.63 - 66, 2004/10

最先端LSIにおいて単一プロトンが入射することにより形成されるバルク損傷が引き起こす新たなエラーの発生についてその観測と評価を実施した。対象とした素子は256MbitSDRAM及び16MbitSRAMである。これらの素子に対してプロトン照射を実施し、データ保持能力が照射前後でどの程度変化するのか測定した。その結果、従来知られているトータルドーズ効果等では説明できない新たな特性劣化現象を見いだした。この現象は動作温度にも大きく依存し、特に50$$^{circ}$$C以上の高温で動作させた場合、仕様で保証された以下に特性が劣化することが確認された。

論文

Improved model for single-event burnout mechanism

久保山 智司*; 池田 直美*; 平尾 敏雄; 松田 純夫*

Proceedings of 6th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-6), p.165 - 168, 2004/10

パワーMOSFET及びバイポーラトランジスタの破損を引き起こすシングルイベントバーンアウト現象はこれまでデバイスシミュレータで再現することが困難であり、その詳細な発生メカニズムは完全には理解されていなかった。われわれは、重イオンの飛跡に沿って発生するプラズマコラム中ではキャリア及びフォノンが高密度で存在することから、通常よりも高い頻度でバンド間トンネリングが発生すると仮定することにより、実験で得られたデータとよく一致するシミュレーション結果を得た。本ワークショップではシングルイベントバーンアウトのモデル開発について報告し、議論する。

論文

Radiation damages of InGaAs photodiodes by high-temperature electron irradiation

大山 英典*; 高倉 健一郎*; 中林 正和*; 平尾 敏雄; 小野田 忍; 神谷 富裕; Simoen, E.*; Claeys, C.*; 久保山 智司*; 岡 克己*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 219-220, p.718 - 721, 2004/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:74.01(Instruments & Instrumentation)

人工衛星は高温で長期間、放射線にさらされるため、その中で用いられる半導体素子について、放射線照射と照射中の温度との関係を評価することが重要である。本研究では、近年非常に注目されているオプとエレクトロニクスデバイスについて照射による電気特性の変化と温度との関係を評価した。評価に用いた試料は、InP基板の上に成長させたInGaAsのエピタキシャル層で作られたフォトダイオードで0.95から1.65mmの波長範囲を有したものである。照射は、2MeVの電子線を用い照射線量は、1$$times$$10$$^{16}$$ e/cm$$^{2}$$とし照射中の温度を50, 100, 200及び300度に保持し、無印加状態で行った。その結果、電子線を照射して生じる欠陥レベルが照射中の温度の上昇に伴い減少した。また、300度の照射では、光電流の低下が初期値の30%であった。これにより、放射線照射による電気特性の変化が高温照射によって回復することがわかった。本会議では、これらの実験結果について紹介し議論する。

論文

Bulk damage caused by single protons in SDRAMs

新藤 浩之*; 久保山 智司*; 池田 直美*; 平尾 敏雄; 松田 純夫*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 50(6, Part1), p.1839 - 1845, 2003/12

 被引用回数:13 パーセンタイル:32.98(Engineering, Electrical & Electronic)

シングルイオンやプロトンによるバルク損傷は高集積のICで非常に問題となっている。本研究では、256MbitのSDRAMにおけるバルク損傷について報告する。実験は、プロトン60MeV及びXe 2.3GeVを、構造の異なるSDRAMに照射した。測定は、SDRAMのリフレッシュレートをさまざまに変化させた状態で、故障数をカウントすることによって行った。測定の結果、リフレッシュレートが長くなるに従い、故障数と断面積は増加することがわかった。さらに、プロトンに比べ、Xeの断面積の方が大きいことも明らかになった。以上の結果を使用して、低軌道を周回する衛星にSDRAMを搭載した場合、1年に170個程度のソフトエラーを起こすことが予測できる。これは、通常のメモリと比べて大きいため、実用上大きな問題となることが推定される。

論文

Consistency of bulk damage factor and NIEL for electrons, protons, and heavy ions in Si CCDs

久保山 智司*; 新藤 浩之*; 平尾 敏雄; 松田 純夫*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 49(6), p.2684 - 2689, 2002/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:42.3(Engineering, Electrical & Electronic)

半導体デバイスにおける放射線劣化は、NIEL(Non-Ionization Energy Loss)を用いてバルク損傷の生成に費やされるエネルギーの関数として表されている。本研究では照射によって導入される損傷を明確にするために、評価試料として電荷結合型デバイス(CCD)を用い、電子1$$sim$$3MeV, 陽子80MeV、及び重イオン(56MeV-N, 5MeV-Ne, 150MeV-Ar, 323MeV-Kr)の照射を行い、ピクセルごとの暗信号を計測した。その結果、電子線照射では小さなエネルギーの一次はじき出し原子(PKA)しか生成できないために孤立した点欠陥が形成され、しかもその大部分は欠陥同志の再結合によって消滅するため、NIELとして与えられたエネルギーの内安定な欠陥に結びつく比率が極端に低くなることがわかった。一方、陽子/重粒子では、電子で発生する欠陥と同じ欠陥に加えて、高エネルギーのPKAによりカスケード損傷が起こり局所的に欠陥クラスターが形成されることがわかった。CCDを使用した照射実験の解析から、NIELとバルク損傷の比例関係が成立しない原因が明らかになった。

論文

半導体トランジスター素子のシングルイベントバーンアウト現象の解析

平尾 敏雄; 新藤 浩之*; 久保山 智司*; 永井 由紀*; 大平 秀春*; 伊藤 久義; 松田 純夫*

JNC TN7200 2001-001, p.66 - 68, 2002/01

半導体素子のシングルイベント現象の一種であるシングルイベントバーンアウト(SEB)は、従来MOSFETにおいて発生すると報告されていた。われわれは、バイポーラトランジスタについてSEB評価を行い、その発生を確認した。SEB測定にはわれわれの開発したEPICS測定システムを使用した。その結果、バイポーラトランジスタでもSEBが発生することを見いだし、イオン入射時のバイポーラトランジスタにおけるベースとエミッタの電流波形の直接観測に成功した。さらに、SEBの耐性向上対策を検討した結果、ベース領域に添加する不純物濃度の増加とベース幅の伸張により約20%の耐性強化が可能であるという結論を得た。

論文

Mechanism for single-event burnout of bipolar transistors

久保山 智司*; 鈴木 隆博*; 平尾 敏雄; 松田 純夫*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 47(6), p.2634 - 2639, 2000/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:55.5(Engineering, Electrical & Electronic)

高エネルギー粒子が半導体中の能動領域を通過する時、その飛跡に沿って発生した高密度の電子-正孔対によるシングルイベント現象が生じることは良く知られている。その現象の一つであるシングルイベントバーンアウト(SEB)、従来Power MOSFETにおいて発生するといわれてきた。われわれは、実験として、すでに確立したSEBの測定方法であるEPICS測定システムを民生用の小信号バイポーラトランジスタ(BJT)に適用し、250MeV Niイオンを用いてSEB評価を実施した。その結果、BJTでもSEBが発生することを見いだし、イオン入射時のBJTにおけるベースとエミッタの電流波形の直接観測に成功した。本報告では、これらの結果を詳説するとともに、MOSFETとBJTにおけるSEB発生機構の相違について議論する。

論文

Analysis of single-ion multiple-bit upset in high-density DRAMs

槇原 亜紀子*; 進藤 浩之*; 根本 規生*; 久保山 智司*; 松田 純夫*; 大島 武; 平尾 敏雄; 伊藤 久義; Buchner, S.*; Campbell, A. B.*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 47(6), p.2400 - 2404, 2000/12

 被引用回数:30 パーセンタイル:13.25(Engineering, Electrical & Electronic)

宇宙環境に使用される高密度なメモリ素子(DRAM)に高エネルギーイオンが入射するとシングルイベントアップセットが生じることは良く知られている。特に、高集積度メモリ素子において、たった一個のイオンを入射することにより、複数のメモリセル内容が反転するシングルイベントマルチプルアップセット(MBU)が近年大きな問題となっている。そこで本実験では、MBUの発生とビーム入射位置との関係を調べるために、16及び64Mbit DRAMに対し、ニッケル,ボロン、鉄イオンを入射角度を0度と60度で照射した。その結果、MBUの発生が、イオントラックの廻りに生じた電荷の拡散により引き起こされることが明らかになった。また、メモリ内のセンサ部分にイオンが当たったときにも大規模なMBUが発生することが判明した。

論文

Analysis of single-ion multiple-bit upset in high-density DRAMs

槇原 亜紀子*; 新藤 浩之*; 根本 規生*; 久保山 智司*; 松田 純夫*; 大島 武; 平尾 敏雄; 伊藤 久義; Buchner, S.*; Campbell, A. B.*

Proceedings of 4th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application, p.103 - 107, 2000/00

半導体デバイスに高エネルギーを持った荷電粒子が入射すると、シングルイベント現象を引き起こすことはよく知られている。本会議では、16Mbit及び64MbitDRAMを用いてマルチビットアップセットの実験結果と解析結果について述べる。試験は、重イオンを試料に対して入射角度を変化させ、その時に発生したエラーマッピングからマルチビットアップセット(MBU)を計測した。その結果、報告内容としては、DRAMにより発生する充電型及び放電型MBUにはそれぞけ独立したエラーの発生するメカニズムが存在することが判明したこと、さらに今後のDRAMではリフレッシュサイクル時間が短くなるため、MBUとして充電型のエラー発生回数が多くなると考えられる。したがってこれらメカニズムの解明が重要であることなどを紹介し、議論を行う。

論文

The Irradiation facilities for the radiation tolerance testing of semiconductor devices for space use in Japan

西堂 雅博; 福田 光宏; 荒川 和夫; 田島 訓; 須永 博美; 四本 圭一; 神谷 富裕; 田中 隆一; 平尾 敏雄; 梨山 勇; et al.

Proceedings of 1999 IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference, p.117 - 122, 1999/00

宇宙用半導体デバイスとして、高機能の民生部品を使用する方針が、開発期間の短縮、費用の節約という観点から採用され、以前にも増して放射線耐性試験を効率的、効果的に行うことが、重要となってきた。本報告では、トータルドーズ効果、シングルイベント効果等の試験を実施している日本の照射施設を紹介するとともに、これらの試験を効率的及び効果的に行うための技術開発、例えば、異なるLETイオンを短時間に変えることのできるカクテルビーム加速技術、シングルイベント効果の機構を解明するためのマイクロビーム形成技術及びシングルイオンヒット技術等について言及する。

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