高い電圧がかかった半導体素子に、宇宙空間や原子力施設などで発生する高エネルギー粒子が1個衝突するだけで、素子が破壊され、動作不能になることがある。この現象はシングルイベントバーンアウト（SEB）と呼ばれ、過酷な放射線環境で使用するパワーエレクトロニクスの設計において、長年の課題となってきた。従来は素子が破壊される電圧を実験で測定できたものの、内部でどのような物理現象が起きているのかを統一的に説明することは難しかった。米国のノースカロライナ州立大学を中心とする研究チームは、超ワイドバンドギャップ半導体である窒化アルミニウム（AlN）を用いた実験と数値シミュレーションを組み合わせ、SEBの発生機構を説明する解析モデルを構築した。さらに、素子の設計に左右されやすい電圧ではなく「電界」を基準とすることで、半導体材料の耐放射線性能を比較する新たな手法を示した。
電圧ではなく「電界」で比較する、放射線による素子破壊の仕組み
SEBは、高い電圧が印加された半導体素子を重イオンなどの高エネルギー粒子が通過した際に、突発的かつ回復不能な破壊が生じる現象である。粒子1個の通過でも素子内部に深刻な構造損傷が発生し、電子機器としての機能が失われる。従来、半導体素子のSEB耐性を評価する際には、「何ボルトまで耐えられるか」という電圧のしきい値が広く用いられてきた。
しかし、素子が耐えられる電圧は、半導体材料の特性だけでなく、電極の配置や半導体層の厚さなど、素子の設計によって大きく変わる。論文の責任著者で、ノースカロライナ州立大学で博士号を取得したCristyan Quiñones氏は、同大学の発表で、素子の設計がSEB発生までに耐えられる電圧を左右するため、異なる材料の性能を比較するには電圧ではなく電界を見る必要があると説明している。電界は単位長さあたりの電位差を表す物理量であり、電圧だけでは分からない、半導体内部に加わる電気的な負荷を評価できる。
そこで研究チームは、SEBが発生するときの臨界印加電界（critical applied electric field）という指標を導入した。素子構造に依存する電圧の代わりに印加電界を用いることで、異なる半導体材料のSEB耐性を比較しやすくする狙いがある。また、重イオンが材料中を通過する際に単位距離あたりに与えるエネルギーは、線エネルギー付与（LET）と呼ばれる。今回のAlNダイオードでも、LETが大きくなるほどSEBが発生するしきい値が低下する傾向が確認された。
AlNダイオードは一般的な半導体より約1桁高い電界に耐える
研究成果は、2026年7月21日に放射線影響に関する国際会議NSRECのセッションB-6で発表され、11月5日には査読付き学術誌『IEEE Transactions on Nuclear Science』に論文「Single-event burnout of AlN diodes under heavy-ion irradiation」として掲載された。研究にはノースカロライナ州立大学のほか、NASAゴダード宇宙飛行センターとAdroit Materialsの研究者が参加している。11月12日にはノースカロライナ州立大学が研究成果を一般向けに発表した。
研究チームは、AlNで作製したショットキーバリアダイオードとp-nダイオードに重イオンを照射し、SEBが発生するしきい値を測定した。その結果、どちらの素子でもイオンのLETが増加するにつれてバーンアウトしきい値が低下し、他の半導体材料で報告されてきた傾向と一致した。さらに、臨界印加電界を基準に評価すると、AlNは一般的な半導体と比較して約1桁高い電界に耐えられることが分かった。ただし、大学発表と論文のアブストラクトには、比較対象となった材料の臨界印加電界の絶対値は示されていない。
この比較には、研究チームが実施したAlNの照射実験に加え、他の半導体材料について過去に報告されたSEBデータが使われている。すべての材料を同じ装置と条件で測定したものではない。また、公開されているアブストラクトと大学発表では、試験した素子の数、イオンの種類とエネルギー、LETの具体的な範囲、フルエンス（単位面積あたりの照射粒子数）、測定温度、電圧の印加手順、比較対象の素子構造、測定値の誤差範囲などは確認できない。これらの条件は結果の再現性や材料間比較の精度を評価するうえで重要であり、論文本文での確認が必要となる。
電荷の分離が局所電界を強め、電子雪崩を引き起こす
研究チームは、AlNの実験結果と他の半導体材料の既存データを数値シミュレーションと組み合わせ、SEBが発生する物理過程を説明する解析モデルを構築した。このモデルによると、破壊の引き金となるのは、重イオンの通過によって生成された電荷の分離と、それに伴う局所的な電界の増大である。
まず、重イオンが半導体内部を通過すると、その経路に沿って電子と正孔などの電荷キャリアが生成される。素子には高い電圧が印加されているため、負の電荷を持つ電子と正の電荷を持つ正孔は反対方向へ移動し、互いに引き離される。この電荷の分離によって内部の電界分布が変化し、局所的に非常に強い電界が生じる。その電界が臨界値に達すると、加速された電子が次々と新たな電荷キャリアを生成する電子雪崩（アバランシェ降伏）が発生する。結果として、狭い領域に大量のエネルギーが集中し、素子が破壊される。
研究チームは、単純な縦型素子（simple vertical devices）で生じるSEBを、イオンによって生成された電荷の分離が引き起こす、従来のアバランシェ降伏として説明できると考えている。構築した解析モデルは、複数の半導体材料について、LETの変化に伴うバーンアウトしきい値の変化を精度よく再現できたという。論文の責任著者であるQuiñones氏も、異なる材料や素子で観測された結果を一つのモデルで説明できたことを成果として挙げている。
ただし、論文のアブストラクトと大学発表には、実験データとモデルの一致度を数値で示すフィット統計量や残差、予測誤差の範囲は記載されていない。また、今回示された電子雪崩の過程は実験結果と解析モデルに基づく説明であり、破壊に至るすべての微視的な過程を直接観察したものではない。現時点で確認できる発表には、第三者の研究グループによる独立した追試の結果も含まれていない。
過去のAlN研究や酸化ガリウムの耐放射線性能とは何が違うのか
AlNをはじめとするワイドバンドギャップ半導体では、近年、高耐圧化や放射線耐性の向上に関する研究が進んでいる。ただし、通常の絶縁破壊電界と重イオン照射下でのSEBしきい値は、異なる物理現象を評価する指標である。また、同じSEB試験でも、電圧と電界では評価対象が異なるため、それぞれの数値を直接比較することはできない。
例えば、2026年1月に『Applied Physics Letters』で報告されたAlN p-n接合ダイオードの研究では、逆方向の絶縁破壊電界が8 MV/cm、順方向の電流密度が1 kA/cm²を超えるという高い電気特性が示された。しかし、この値は放射線を照射しない状態で測定されたものであり、今回の研究が対象とした重イオン照射下でのSEBしきい値とは異なる。
一方、2025年3月に『IEEE Electron Device Letters』で発表された\beta\text_2\text_3（酸化ガリウム）ヘテロ接合バリアショットキーダイオードの研究では、SEB耐圧が1.4 kVを超え、SEBによる劣化率を9.6%に抑えたと報告されている。この研究では、深いトレンチ構造、p型酸化ニッケル（NiO）、高誘電率の\mathrm_3（チタン酸バリウム）を用いたフィールドプレート終端構造を組み合わせ、素子の設計によってSEB耐性を高めている。材料間の比較に適した臨界印加電界という指標を導入した今回のAlN研究とは、研究の目的も評価方法も異なる。
これらの研究で報告された数値を整理すると、次のようになる。
| 材料と素子 | 試験条件 | 報告された指標と結果 | 評価の対象 |
|---|---|---|---|
| AlNショットキーバリアおよびp-nダイオード（今回の研究） | 重イオン照射下でのSEB試験 | 臨界印加電界が一般的な半導体より約1桁高い。絶対値はアブストラクトと大学発表では未記載 | 素子設計の影響を抑えた材料間のSEB耐性比較 |
| AlN p-n接合ダイオード（2026年1月） | 放射線を照射しない状態での電気特性試験 | 逆方向絶縁破壊電界8 MV/cm、順方向電流密度1 kA/cm²超 | 通常の電気的な絶縁破壊耐性 |
| \beta\text_2\text_3ヘテロ接合バリアショットキーダイオード（2025年3月） | 重イオン照射下でのSEB試験 | SEB耐圧1.4 kV超、SEB劣化率9.6% | 素子構造の改良によるSEB耐性の向上 |
表に示した1.4 kVというSEB耐圧、8 MV/cmという非照射下の絶縁破壊電界、今回のAlN研究で導入された臨界印加電界は、それぞれ異なる条件で測定・評価された指標である。今回の研究の特徴は、こうした素子レベルの性能値だけでは見えにくかった材料間の違いを、共通の電界という指標で比較しようとした点にある。
放射線に強い半導体の設計ルール構築へ
今回の成果について、論文の共著者であるノースカロライナ州立大学材料科学工学科のRamón Collazo教授は、SEBの物理的な仕組みを理解することで、放射線による損傷を最小限に抑えるための設計ルールを開発できるようになると説明している。従来は素子がどの程度の放射線に耐えられるかを試験で調べることが中心だったが、破壊に至る過程を物理モデルで説明できれば、材料の選択や素子構造の設計にもその知見を生かせる。研究チームは、原子力発電、宇宙探査、生体医工学、核融合実験など、放射線の影響を受ける環境で使用する電子素子の設計に、このモデルが役立つと期待している。
現段階で報告されているのは、実験室でのAlNダイオードへの重イオン照射と、単純な縦型素子を対象とした解析モデルの構築である。宇宙機への搭載試験や原子炉環境での実地運用、システムレベルの認定、市販の耐放射線製品への採用などは報告されていない。さらに、複雑な回路を集積したICや特殊な素子構造、異なる放射線環境にモデルを適用できるかについても、検証の対象が残されている。今後、詳細な実験条件と測定誤差を踏まえた独立した追試や、より複雑な素子構造での検証が進めば、SEBの発生を予測し、耐放射線性能を設計段階で改善するための具体的な手法につながる可能性がある。
