a-Si:H積層3T-APSと自己整合p⁺側壁分離CMOS（RHDS+）による耐放射線イメージセンサの提案（第2報）: 受光部の結晶シリコンからの脱却と、検出部の電気的遮蔽

三井田, 高

doi:10.51094/jxiv.6139

##article.authors##

三井田, 高技術コンサルタント https://orcid.org/0009-0005-4428-7247 https://orcid.org/0009-0005-4428-7247

DOI:

https://doi.org/10.51094/jxiv.6139

キーワード:

耐放射線、 CMOSイメージセンサ、水素化アモルファスシリコン、積層型撮像素子、 3T-APS、素子分離、廃炉

抄録

福島第一原子力発電所の廃炉現場では、カメラの放射線劣化が遠隔作業の律速要因の一つとなっている。予備機も入手できず、交換を繰り返しながら作業が続いている。一方、結晶Siの受光構造を耐放射線化する試みは限界に来ている。埋込フォトダイオード（PPD）の優位は表面のピニング層に支えられており、TIDが変調するのはその表面電位だからである。既報の対策はいずれも、その変調を外部電界で補うもので、必要な電位は線量とともに深くなる。本報が提案するのは、受光構造をシリコンから外すことである。筆者は第1報で電気的遮蔽構造（RHDS）を提案した。本報はこれを撮像素子に適用し、さらに受光層を多層配線上の水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）p-i-n積層膜へ移す。シリコン側は3T-APS（3トランジスタ増幅画素）と周辺回路のみとなる。この構成には埋込フォトダイオードも転送ゲートもピニング層も存在せず、先行研究が指摘した劣化経路の主要部が構造として消える。素子分離には、第1報のRHDSから底部高濃度層と貼り合わせ工程を除いた簡略型（RHDS+）、すなわちメサ分離と自己整合p⁺側壁を用いる。酸化膜に接する半導体をすべて高濃度p型としてGNDに固定するため界面が反転せず、ELTレイアウトを要しない。読み出し系を標準セルライブラリの流用で設計できる。あわせて、a-Si:Hの照射効果に関する既往研究が、はじき出し損傷量（dpa）の軸で記述されていることに着目する。γ線が支配的な廃炉環境で想定される累積線量は、光伝導が消失する損傷量より2桁以上低い。これを概算により示す。本構成は貼り合わせ基板もSOI基板も要さず、試作に必要な工程は既存の8インチCMOSラインとバックエンド成膜工程の組合せで構成できる。さらに、受光層は多層配線が完成したあとの後工程であり、リング型リセットゲートはレイアウトのみで実現できる。導入は段階的とする。第2段階までは素子分離モジュールに手を入れず、標準のCMOSプロセスに画素p⁺リングの注入を一つ加えるだけで組む。RHDS+の実装はその先に置く。

利益相反に関する開示

開示すべき利益相反はない。

ダウンロード *前日までの集計結果を表示します

ダウンロード実績データは、公開の翌日以降に作成されます。

引用文献

東京電力ホールディングス，“2号機燃料デブリ試験的取り出し作業の状況について，” 2024年9月〜11月公表資料.

技術研究組合国際廃炉研究開発機構，東京電力ホールディングス，“2号機 PCV内部調査・試験的取り出し作業の状況，” 廃炉・汚染水・処理水対策チーム会合／事務局会議資料，2025年12月25日.

三井田高，“電気的遮蔽構造を用いた耐放射線CMOSプラットフォーム（RHDS）の提案と非線形ポアソン解析による遮蔽効果の検証，” Jxiv, 2026. https://doi.org/10.51094/jxiv.5728（第1報）

V. Goiffon, P. Magnan, O. Saint-pé, F. Bernard, G. Rolland, “Total dose evaluation of deep submicron CMOS imaging technology through elementary device and pixel array behavior analysis,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.55, no.6, pp.3494–3501, 2008.

C. Virmontois, V. Goiffon, P. Magnan, et al., “Total ionizing dose versus displacement damage dose induced dark current random telegraph signals in CMOS image sensors,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.58, no.6, pp.3085–3094, 2011.

V. Goiffon, et al., “Multi-MGy radiation hard CMOS image sensor: design, characterization and X/gamma rays total ionizing dose tests,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.62, no.6, pp.2956–2964, 2015.

V. Goiffon, “Hardening of image sensors,” IEEE NSREC Short Course, Part III, 2021.

S. Rizzolo, V. Goiffon, F. Corbière, et al., “Radiation hardness comparison of CMOS image sensor technologies at high total ionizing dose levels,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.66, no.1, pp.111–119, 2019.

T. Watanabe, T. Takeuchi, O. Ozawa, H. Komanome, T. Akahori, K. Tsuchiya, “A radiation hardened CMOS image sensor with almost zero dark current increase during radiation,” Proc. Int. Image Sensor Workshop (IISW), R46, 2019.

T. Watanabe, T. Takeuchi, O. Ozawa, H. Komanome, T. Akahori, K. Tsuchiya, “A new radiation hardened CMOS image sensor for nuclear plant,” Proc. Int. Image Sensor Workshop (IISW), P41, 2017.

原口能純，池田博一，福田盛介，“MGyオーダーの耐放射線埋込みフォトダイオードCMOSイメージセンサーの開発，” 第79回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集，18p-231B-11，2018.

川尻和廣，東昭男，品田春治，斉田隆，田部井雅利，小野吉弘，“水素化非晶質シリコン積層型38万画素MOSカラー撮像素子，” テレビジョン学会技術報告，vol.9，no.45，pp.1–6，1986.

H.-H. Wang, T. Miida, C.-C. Wang, K. Kawajiri, C.-T. Huang, S.-S. Lin, “A novel structure of a-Si:H based photoconductor stacked on APS technology,” Proc. IEEE Int. Conf. Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), pp.201–203, 2007.

M. G. Engelmann, C. Chao, T.-C. Hsieh, P. Martin, M. Pender, “Visible/near infrared image sensor,” U.S. Patent Application Publication US 2005/0104089 A1, 2005年5月19日公開（優先日 2002年2月5日）.

M. Menichelli, et al., “Status and perspectives of hydrogenated amorphous silicon detectors for MIP detection and beam flux measurements,” Front. Phys., vol.10, 943306, 2022.

佐藤真一郎，“水素化アモルファスシリコン半導体の放射線照射効果に関する研究，” 博士（工学）学位論文，日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門，2012.

S. Sato, H. Sai, T. Ohshima, M. Imaizumi, K. Shimazaki, M. Kondo, “Temporal donor generation in undoped hydrogenated amorphous silicon induced by swift proton bombardment,” Appl. Phys. Express, vol.4, 061401, 2011.

J. R. Schwank, et al., “Radiation effects in MOS oxides,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.55, no.4, pp.1833–1853, 2008.

T. Meguro, et al., “4H-SiC 64 pixels CMOS image sensors with 3T/4T-APS arrays,” Appl. Phys. Express, vol.17, no.8, 081005, 2024.

T. R. Weatherford, W. T. Anderson, Jr., “Historical perspective on radiation effects in III–V devices,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 50, no. 3, pp. 704–710, 2003.

K. M. Anagnost, X. Yue, E. R. Fossum, “Reset noise reduction method in 3-T pixels,” IS&T Int. Symp. Electronic Imaging, Imaging Sensors and Systems, pp.344-1–344-5, 2023.

M. Ishii, et al., “An ultra-low noise photoconductive film image sensor with a high-speed column feedback amplifier noise canceller,” Symp. VLSI Circuits, pp.C8–C9, 2013.

池上通信機，“耐放射線性カメラの特性 ― 映像技術で過酷な環境下の作業を支えるために ― Part.2，” Ikegami TECH，vol.53.

M. A. Green, M. J. Keevers, “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K,” Prog. Photovolt. Res. Appl., vol.3, no.3, pp.189–192, 1995.

T. Schutz-Kuchly, A. Slaoui, J. Zelgowski, et al., “UV and IR laser induced ablation of Al2O3/SiN:H and a-Si:H/SiN:H,” EPJ Photovoltaics, vol.5, 55201, 2014.

林元義明，宇家真司，安達元一，遠藤幸雄，原田望，吉田興夫，小松原吉明，井出恭三，“高解像度a-Si:H積層構造CCDイメージセンサ，” 1984年テレビジョン学会全国大会，3-16，pp.69–70，1984.

松長誠之，遠藤幸雄，真鍋宗平，矢野健作，木村実，井手裕二，野崎秀俊，家坂守，宇家真司，宮川良平，飯田義典，古川章彦，原田望，“アモルファスシリコン膜積層型200万画素CCDイメージセンサ，” 1988年テレビジョン学会全国大会，2-4，pp.35–36，1988.

M. Liao, H. Sun, S. Koizumi, “High-temperature and high-electron mobility metal-oxide-semiconductor field-effect transistors based on n-type diamond,” Advanced Science, vol.11, 2306013, 2024.

T. Yamaguchi, H. Umezawa, H. Kawashima, T. Makino, N. Hoshikawa, J. H. Kaneko, “Exploring diamond multigate FET for next generation three-phase CCD,” Diamond and Related Materials, vol.144, 111012, 2024.

a-Si:H積層3T-APSと自己整合p⁺側壁分離CMOS（RHDS+）による耐放射線イメージセンサの提案（第2報）

受光部の結晶シリコンからの脱却と、検出部の電気的遮蔽