Development of Radiation Resistant SiC Operational Amplifier and Its Application to Pressure Transmitter

Abstract

We have developed a SiC operational amplifier (op amp) and applied it to a pressure transmitter with high radiation resistance. The op amp was prototyped on the basis of SiC complementary MOS (CMOS) technology. Generally, in CMOS, electric charges are accumulated in the oxide film by irradiation. In op amps using CMOS, the offset voltage increases owing to the induction of defects in the semiconductor layer, which result from the accumulation of electric charges. On the other hand, SiC is a wide-bandgap semiconductor and has the characteristic that defects are less likely to be induced. The prototype SiC op amp showed radiation resistance of 2 MGy or more. We mounted this op amp on a pressure transmitter and evaluated the pressure transmitter in terms of input/output characteristics, temperature characteristics, step response, and radiation resistance. We confirmed that the measurement accuracy of the input/output characteristics and temperature characteristics was within ±0.5%. The step response was 450–455 ms. Regarding use in radiation environments, we confirmed that the transmitter can be operated at doses up to 580 kGy with a measurement error of 10% or less. These results show that the device effectively improves the reliability of nuclear power plants.

I. 緒言

原子力発電プラントに適用される計装機器は，福島第一原子力発電所の事故以降，安全性の観点からの耐環境性向上のニーズが高まっている。計装機器のうち重要計器の1つである圧力伝送器は，流体圧力や水位等の測定のために多数設置されている。圧力伝送器には，信号処理部の電子回路に半導体素子が用いられているが，従来の半導体素子は放射線により特性劣化することが知られており^1），回路の工夫や放射線源からの隔離，鉛等による遮蔽で放射線劣化への対策がされてきた。これらの対策により，通常の運転条件であれば電子回路の放射線劣化をプラント運転に影響の出ないレベル以下にまで低減できている。一方で，事故時のように一時的に放射線量が大幅に上昇する事象においては，上記した対策では不十分なことも想定される。この場合には，圧力伝送器のような電子回路を有する機器は特性劣化が起こり，最悪の場合には計測不能となる可能性がある。

我々は，放射線による電子回路の特性劣化に対する根本的な解決を目的として，耐放射線性に優れるとされる炭化ケイ素（以下，SiC）をベースとしたオペアンプを開発した^2～4）。さらに，開発したオペアンプを重要計器の1つである圧力伝送器に応用した。本論文では，開発したSiCオペアンプの性能および試作した圧力伝送器の耐放射線評価について報告する。

II. 圧力伝送器の概要と構成素子の放射線環境下での特性

1. 圧力伝送器の概要

圧力伝送器は，差圧計測用と圧力計測用に大きく分類され，前者は，タンクの水位やプラント配管流量の測定などに，後者は，測定流体の絶対圧力やゲージ圧の測定に用いられる。

Figure 1に，一例として隔膜置換器付き差圧伝送器の構造を示す^5）。差圧伝送器は，受圧部，キャピラリ部，本体部で構成され，受圧ダイアフラムで受けた測定流体の圧力を，シリコーンオイルが充填された導圧管，中間ダイアフラム，シールダイアフラムを介して圧力センサへ伝える。圧力の大きさに応じて圧力センサは電気信号を発し，制御回路により4～20 mAの信号に変換され，上位システムへ伝送される。このような構造の圧力伝送器において，放射線が照射されると制御回路内の半導体素子の特性が変化することで計測性能が劣化する。そのため放射線環境で使用される圧力伝送器は，放射線に比較的強いアナログ回路が用いられる。これにより，原子力プラントの通常運転時における低い放射線量であれば，問題なく動作が可能である。一方で，放射線量が一時的に上昇する事故時環境においては，アナログ回路でも放射線による劣化が起こり，最悪の場合には計測不能となる可能性がある。

Fig. 1

Typical structure of pressure transmitter with model of diaphragm displacement device

2. 各構成素子の放射線環境下での特性

圧力伝送器のアナログ制御回路を構成する素子は，Table 1のとおりオペアンプ，トランジスタ，ダイオード，ツェナーダイオード，コンデンサ，抵抗器の6種類である。オペアンプ，トランジスタ，ダイオード，ツェナーダイオードはケイ素（以下，Si）製であり，コンデンサはセラミック，抵抗器は金属皮膜で形成される。これら構成素子について，放射線による特性変化が圧力伝送器の出力に与える影響を評価した。

Table 1 Electronic elements in pressure transmitters

Electronic element	Material
Operational amplifier	Si
Bipolar transistor	Si
Diode	Si
Zener diode	Si
Capacitor	Ceramic
Resistor	Metal

各素子に電圧印加状態で⁶⁰Co線源のガンマ線を照射した結果，トランジスタ，ダイオード，ツェナーダイオード，コンデンサ，抵抗器の5種類については，積算50 kGyを超えても圧力伝送器の出力への影響はなかった。一方でオペアンプは出力変動に影響を及ぼすことが確認された。

Figure 2にオペアンプのガンマ線照射試験の結果を示す。横軸は積算線量，縦軸はオフセット電圧である。オペアンプはトランジスタ8個で構成されるRenesas製μPC802を用いており，電圧を印加した状態で出力をリアルタイムで計測できる試験体系でガンマ線を照射した。その結果，積算線量の増加に伴いオフセット電圧の増加が確認され，積算300 Gy付近で仕様範囲の±5 mVを逸脱し，その後も線量に応じて増加することがわかる。このようにオペアンプのオフセット電圧が±5 mV以上となると，圧力伝送器の出力が許容誤差を逸脱する可能性が高くなる。通常運転時のmGy/hオーダーの低い線量であれば影響は無視できるほど小さいが，事故時のように線量が一時的に高まる環境では出力変動が顕著となる。そのため，高線量下で圧力伝送器を正常に動作させるためにはオペアンプの対策が必要となる。

Fig. 2

Radiation effect on offset voltage of Si op amp

3. オペアンプの放射線劣化モデル

圧力伝送器の構成素子のうち，半導体素子であるオペアンプの耐放射線性能が低いことを確認した。なお，Si半導体素子については，原子力や宇宙分野において放射線劣化のメカニズムが報告されている^1,6～8）。

半導体素子は放射線照射によっていくつかの故障モードがあるが，大きくはトータルドーズ効果，はじき出し損傷効果，シングルイベント効果の3種類である。トータルドーズ効果は，多量のガンマ線が入射することで電離作用が起こり，電荷の蓄積等で半導体素子の特性が劣化する現象である^1）。はじき出し効果は，主に電子線が多量に入射することで，半導体結晶を構成する原子がその定常位置からはじき出されることによって劣化が引き起こされる現象である。シングルイベント効果は，陽子線や重粒子線等の高エネルギー粒子が1個入射して生じる電荷の影響により，一時的もしくは定常的な故障が起こる現象である。このうち，原子力プラント内の計測器は，主にガンマ線の影響を受けるため，本論文ではトータルドーズ効果について検討する。

III. 耐放射線SiCオペアンプの開発

1. SiCの放射線影響の優位性

本研究では，オペアンプの耐放射線性能を向上させるために，近年注目されるワイドバンド半導体である炭化ケイ素（以下，SiC）に着目した。SiCを用いたMOSFET（MOS Field Effect Transistor）は，表面の窒素終端等によりガンマ線照射に対する耐放射線性能を大幅に改善できることが示されている^9～11）。さらにSiCは，イオン注入法によるn型およびp型半導体層の形成が容易なため，オペアンプのような集積デバイスの作製に適している。

Figure 3に，従来品のSiとSiCのMOS構造におけるトータルドーズ効果の違いを示す。先述のようにSi-MOS（Fig. 3(a)）では，蓄積した電荷に比例してSi界面に欠陥が誘起され，デバイス性能を劣化させる。一方SiC-MOSでは，Fig. 3(b)に示すように電荷の影響で界面に誘起される欠陥が少ない特徴がある。これは窒素の高い活性化エネルギーによるものと推測される^12）。このような特性をもつSiC-MOSを用いて，オペアンプを開発した。

Fig. 3

Difference in total dose effect between Si and SiC

2. SiCオペアンプの構造とプロセス

Figure 4に試作したSiCオペアンプの回路図を示す。SiCオペアンプは差動増幅や出力段など8個のMOSFETで構成される。端子Isetはアイドリング電流の制御に用いられ，発振を抑制するための位相補償用にCcを設けている。また，放射線によるリーク電流の増加を抑制するために，リークパスを低減するデバイス構造を採用している^3）。

Fig. 4

Equivalent circuit of the SiC op amp

Figure 5にSiCオペアンプを構成するnMOSとpMOSの断面図を示す。これらは7 × 10¹⁴ cm⁻³の窒素をドープしたn型エピタキシャル層の上に製造される。nMOS（3.6 × 10¹⁷ cm⁻³）のpウェルの不純物濃度は，アルミニウム注入によって形成した。pMOSの正味のドナー濃度は，窒素をドープしたエピタキシャル層の濃度と同等で，ソース-ドレイン領域のドーピング濃度は，伝導型によらず約1.0 × 10²⁰ cm⁻³である。イオン種は，n型は窒素，p型はアルミニウムとし，不純物を注入した後1,700°Cでアニーリングしてサンプルを活性化した。ゲート酸化物はCVD法によって厚さ8 nmに形成し，窒化処理するために，ゲート酸化物をNO雰囲気にて1,300°Cでアニールした。酸化物層の形成後に，薄いポリシリコン層をゲート電極としてゲート酸化物層上に堆積した。オーミック接触を行うために，55 nmの厚さのニッケル層をエピタキシャル層の露出面に堆積し，1,000°Cでアニールした。その後，アルミニウム膜をソース電極とドレイン電極として堆積した。また，ゲート長（Lg）は5 µm，nMOSとpMOSのゲート幅（Wg）は100～1,000 µmで設計した。

Fig. 5

Cross section of SiC-MOS

Figure 6にSiCオペアンプの外観を示す。上記プロセスで製造された1.0 mm角のSiCオペアンプのチップを，5.4 mm × 6.5 mmのSON（Small Outline Non-leaded package）に実装した。これは従来のSiオペアンプと同サイズであり，従来の圧力伝送器の基板レイアウトを変更せずに実装が可能である。

Fig. 6

Photo of SiC op amp

3. SiCオペアンプの放射線影響

試作したSiCオペアンプに対して，ガンマ線照射による耐放射線性能を評価した。試験条件をTable 2に示す。放射線源はガンマ線源である⁶⁰Coを用い，線量率は1 kGy/hとした。オペアンプに駆動電圧±4 Vを印加した状態でオフセット電圧をリアルタイム計測し，基準値の±5 mVを逸脱するまでガンマ線を照射した。記録計およびオペアンプの駆動電圧を供給するための安定化電源は非照射環境に設置し，オペアンプとはケーブルで接続した。

Table 2 Radiation experiment conditions for op amp

Item	Condition
Radioactive source	60Co
Dose rate	1 kGy/h
Drive voltage	±4 V

Figure 7に試験結果を示す。縦軸はオペアンプのオフセット電圧，横軸は積算線量である。結果より，積算2,000 kGy（=2 MGy）までオフセット電圧の変動が±1 mV以内であり，高線量領域でも安定して動作可能であることが示された。100 kGyから2 MGyにかけて，0.5 mV程度の出力変動が数点みられるが，これは照射設備の定期検査による非照射の影響や周囲温度の変化による温度影響の可能性が考えられる。なお，2 MGyを超えたところで基準値の±5 mVを逸脱し，オペアンプが応答不能となったため照射を停止している。

Fig. 7

Radiation effect on offset voltage of SiC op amp

SiCオペアンプのオフセット電圧が急激に増加した原因は，トータルドーズ効果により少しずつ増加するドレイン・ソース間のリーク電流が影響していると考える。確認のために，回路シミュレーション（LTSpice）にてリーク電流とオフセット電圧の関係を評価した。オフセット電圧が発生する差動回路を構成するM1とM2（Fig. 4参照）に，ガンマ線より誘起されるリーク電流I_offのモデルを反映させ，誘起されるI_offのバラつきはない（I₁ = I₂ = 一定）との仮定で計算した。

Figure 8にオフセット電圧のリーク電流（I_off）依存性を示す。縦軸はオフセット電圧，横軸はオペアンプ全体のアイドリング電流に対するリーク電流（I_off）の割合を示している。本結果から，3.56%以下の領域において，オフセット電圧はほとんど一定に推移しているが，I_offの割合が3.57%を超えると急増することがわかった。このオフセット電圧の傾向は放射線試験結果とおおむね一致しており，急峻な増加はトータルドーズ効果により増加したリーク電流が影響していると考えられる。

Fig. 8

Offset voltage dependence of leakage current of M1 and M2

IV. 圧力伝送器への適用性評価

1. 圧力伝送器の仕様

SiCオペアンプを実装した圧力伝送器を試作した。外観をFig. 9に，仕様をTable 3に示す。計測レンジは用途によって変更可能であるため，今回は最も多く使用される基準レンジ（−80～80 kPa）とした。駆動電圧は24 V，出力信号は4～20 mA，導圧用の封入液はシリコーンオイル，重量は3.3 kgでそれぞれ従来品と同等である。本試作品の従来品との差異は，回路部のオペアンプを従来のSi製からSiC製に変更している点のみである。

Fig. 9

Pressure transmitter with SiC op amps

Table 3 Specifications for proposed differential pressure transmitter

Item	Specification
Measuring range	−80 – 80 kPa
Power supply voltage	24 V DC (DC 11.4～28.0 V)
Output signal	4～20 mA DC
Operating temperature limit	0～70°C
Enclosed liquid	Silicone oil
Weight	3.3 kg
Op amp material	SiC

2. 性能評価試験

試作した圧力伝送器に対し，計測性能を評価するための入出力特性試験，温度特性試験，ステップ応答試験と耐放射線性能を評価するためのガンマ線照射試験を実施した。

Figure 10に入出力特性試験の試験体系を示す。本試験では，圧力伝送器の受圧部にハンドポンプとマノメータを用いて20 kPa間隔で圧力を印加し，各圧力に応じた出力値を記録計で測定した。目標値は従来製品の計測精度と同様に±0.5%以内とした。Fig. 11に温度特性試験の試験体系を示す。本試験では，温度バスに圧力伝送器を設置し，使用温度範囲（0～70°C）を10°C刻みで変化させ，各温度での測定値の変化を確認した。圧力伝送器の差圧入力はいずれも大気圧とし，差圧0の状態とした。目標は，25°Cの出力を基準としたときの各温度の誤差が±0.5%以内とした。Fig. 12にステップ応答試験の試験体系を示す。ステップ応答試験では，瞬間的に圧力印加および減圧が可能な電磁弁を用いて応答性を評価した。具体的には，大気圧から80 kPaの印加（以下，上り）および80 kPa印加状態から大気開放した際（以下，下り）の応答速度を測定した。なおステップ応答とは，応答が最終値の63.2%に到達するまでの時間である。目標は，従来品仕様と同様に400～500 ms（ダンピング時定数220 ms含む）とした。Fig. 13にガンマ線照射試験の試験体系を示す。本試験では，⁶⁰Co線源を用い，駆動電圧24 Vで動作させた圧力伝送器に線量率1 kGy/hでガンマ線を照射した。計測値は，圧力伝送器の出力ケーブルを非照射環境まで延長し，データロガーにてリアルタイムで計測した。事故時の高線量環境を想定しているため，目標線量は積算50 kGy以上とした。また，許容誤差のしきい値は，過酷環境での大まかな水位の把握を目的とするため±10%以内で設定した。

Fig. 10

Configuration for input/output characteristics experiment

Fig. 11

Configuration for temperature effect experiment

Fig. 12

Configuration for step response experiment

Fig. 13

Configuration for irradiation experiment

3. 試験結果と考察

圧力伝送器の入出力特性の結果をFig. 14に示す。縦軸は圧力伝送器の出力信号，横軸は印加した圧力値である。結果より，入力圧力に応じて線形に出力されることがわかる。真値との計測誤差の詳細をTable 4に示すが，最大誤差は0.19%で，目標の±0.5%以内を達成することがわかった。次に，温度特性試験の結果をFig. 15に示す。縦軸は圧力伝送器の出力信号，横軸は温度を示している。図より最大誤差は0.06%と小さく，各動作温度において目標±0.5%以内の達成を確認した。Fig. 16はステップ応答の測定結果であり，縦軸は圧力伝送器の出力，横軸は応答時間を示している。図より，上りは455 ms，下りは450 msといずれも目標以内であることを確認した。Fig. 17にガンマ線照射試験の結果を示す。縦軸は圧力伝送器の出力，横軸はガンマ線の積算線量であり，積算580 kGyまで誤差±10%で動作することを確認した。

Fig. 14

Results of measurement accuracy evaluation

Table 4 Measurement error of pressure transmitter using SiC op amp

Input [kPa]		0	20	40	60	80
Pressurization	Output error [%]	−0.03	−0.15	−0.01	0.18	−0.01
Decompression	Output error [%]	−0.06	−0.18	−0.02	0.19	−0.01

Fig. 15

Results of temperature effect experiment

Fig. 16

Results of step response experiment

Fig. 17

Results of γ-ray irradiation experiment

以上の結果から，SiCオペアンプを適用しても高い計測性能を維持したまま，目標を大きく上回る500 kGy以上の放射線照射においても動作可能な見通しを得た。この結果より，事故時のような一時的に線量率が高まる環境においても，正確に水位や流量などを常時計測でき，プラントの安全運転に高く寄与できると考える。さらに，遮蔽や放射線源からの隔離が不要になるため，設置の自由度を格段に向上させることが可能になる。

なお，圧力伝送器の耐放射線性能がオペアンプ単体よりも低下した理由は，SiCオペアンプの周辺回路の影響が考えられる。放射線照射後のトランジスタの電流増幅率（h_FE）は初期値の180から100程度まで減少していたため，これにより圧力伝送器の出力が低下したものと考えられる。積算500 kGyを超える更なる高放射線環境に適用する場合には，トランジスタが低増幅率で動作可能な回路構成への変更や，SiC製トランジスタの適用が有効と考える。

V. 結論

本研究では，高い耐放射線性を有する圧力伝送器を開発した。耐放射線性に優れるSiCオペアンプおよびそれを実装した圧力伝送器を試作評価し，以下の結論を得た。

1. ⑴　   既存素子の放射線照射試験により，アナログ回路の耐放射線性能を向上させるためには，オペアンプの対策が有効であることを確認した。
2. ⑵　   SiCオペアンプはガンマ線照射環境においても，積算2 MGyまでオフセット電圧が±5 mV以内で正常に動作することを確認した。
3. ⑶　   SiCオペアンプを実装した圧力伝送器の性能評価を実施し，計測性能，温度特性，ステップ応答それぞれ目標性能を達成することを確認した。また，ガンマ線照射試験により積算580 kGyまで計測誤差±10%以内で動作可能であることを確認した。

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