The study of bulk damage of high gamma-irradiated $n^+$-in-$p$ silicon diodes

技術要約：高ガンマ線照射によるn+-in-pシリコンダイオードのバルク損傷

問題提起
将来の高輝度粒子加速器実験におけるインナートラッキング領域で使用されるシリコン検出器は、極限的な放射線環境に直面している。p型シリコンにおけるハドロン誘起損傷に関する広範な研究は存在するが、High Luminosity LHC実験で採用されているn+-in-p技術における、p型バルクシリコンへのガンマ線誘起変位損傷に関する包括的なデータへのニーズがある。p型サンプルをガンマ線で照射した先行研究は、全電離線量（TID）が約3 MGyに限定されていた。本研究は、放射線誘起変位損傷の調査を8.28 MGyまで拡張し、全空乏電圧（$V_{FD}$）、実効ドープ濃度（$N_{eff}$）、およびリーク電流の進化を特徴付け、ガンマ線TIDと1 MeV中性子等価フルエンスとの関係を決定することを目的とする。

手法
本研究では、異なるメーカーから提供された3種類の標準的なフロートゾーンn+-in-pシリコンダイオード（ダイオードA、B、Cと命名）を用いた。これらのダイオードは類似の幾何学的形状（有効面積 ~0.014 cm²、厚さ ~285–290 µm）を共有しているが、初期バルク抵抗率（$\rho$）および酸素濃度が異なっている。

• ダイオードAおよびB: $\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm。
• ダイオードC: $\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm（低ボーロン・ドーピングまたは顕著な補償）。

酸素濃度は、二次イオン質量分析法（SIMS）を用いて深さ14 µmまで決定した。ダイオードは、UJP PRAHA a.s.の$^{60}$Coガンマ線源を用いて、TIDが0.50から8.28 MGyの範囲で照射された。エネルギー堆積が均一になるよう、照射は電荷粒子平衡（CPE）ボックス内で行われ、温度は35 °C以下に維持された。照射後、制御不能なアニーリングを防ぐため、サンプルは–20 °C以下で保管された。

特性評価は以下の通り行われた：

1. I–VおよびC–V測定: 標準的なアニーリングステップ（60 °Cで80分間）の前後において、室温で実施。ガードリング構成を用いて、バルクリーク電流を表面電流から分離した。
2. 過渡電流技術（TCT）: $V_{FD}$の検証、$V_{FD}$の抽出、電界分布の特定、および低線量および高線量で照射されたダイオードの空間電荷（$N_{eff}$）の符号決定のために、赤色レーザー（660 nm）を用いたTop-TCTを採用した。

主な結果

• リーク電流: バルクリーク電流（$\Delta I/V$）は、すべてのダイオードタイプにおいてTIDに対して線形に増加した。損傷係数（$\alpha_\gamma$）は、初期抵抗率および酸素濃度に依存することが判明した：

  • ダイオードA（$\rho \approx 3.1$ k$\Omega\cdot$cm）の場合、$\alpha_\gamma \approx 6.33 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • ダイオードB（$\rho \approx 3.3$ k$\Omega\cdot$cm）の場合、$\alpha_\gamma \approx 6.49 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • ダイオードC（$\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm）の場合、$\alpha_\gamma \approx 10.20 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • 表面電流は低TIDで急激に増加して飽和したが、ダイオードAは4 MGyを超える用量で二次的な増加を示した。
  • アニーリング効果: 60 °Cのアニーリングステップ後、バルクリーク電流に変化は見られなかった。

• 全空乏電圧（$V_{FD}$）および実効ドープ（$N_{eff}$）:

  • $V_{FD}$および$N_{eff}$は、TIDの増加に伴い初期に大幅に減少し、その後、高用量で再び増加した。
  • $V_{FD}$が最小値に達するTIDは初期抵抗率と相関しており、ダイオードC（高抵抗）は約4.14 MGyで最小値に達したのに対し、ダイオードAおよびB（低抵抗）は6 MGy付近で最小値に達した。
  • ダイオードAについては、6 MGy以上で$V_{FD}$は低い値（~10–20 V）を維持したが、7.78 MGyでのTCT測定では約70 Vで全空乏化が示された。これは、複雑な空間電荷分布（ダブルジャンクション）がC-V測定において幾何学的容量に到達することを妨げていることを示唆している。

• 空間電荷符号反転（SCSI）:

  • 低照射ダイオードに対するTCT測定により、p型バルク（n+-in-p構造）の保持が確認された。
  • 高照射ダイオード（Aは7.78 MGy、Bは8.28 MGy）に対するTCT測定により、n型バルクへの符号反転が明らかになった。電界分布は、ダイオードの両側に高電界領域を持つダブルジャンクションの形成を示した。

• TIDからフルエンスへの変換:
  リーク電流の増加が変位損傷によるものであると仮定し、TIDと1 MeV中性子等価フルエンス（$\phi_{eq}$）の間の変換を推定した：

  • ダイオードC（$\rho \approx 24$ k$\Omega\cdot$cm）の場合：1 MGy $\approx 2.6 \times 10^{11}$ neq/cm²。
  • ダイオードAおよびB（$\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm）の場合：1 MGy $\approx 1.6 \times 10^{11}$ neq/cm²。

意義および結論
本研究は、将来の高輝度実験に関連する用量範囲である8.28 MGyまでの、p型シリコンダイオードにおけるガンマ線誘起変位損傷を特性化した。主な知見は以下の通りである：

1. 欠陥の安定性: ハドロン照射サンプルが有益なアニーリングや逆アニーリングを示すのに対し、ガンマ線照射されたn+-in-pシリコンダイオードは、60 °Cで80分間の後、アニーリング効果（$V_{FD}$およびリーク電流の両方において）を示さない。著者らは、これを主に移動しない欠陥によるものとしている。
2. 抵抗率依存性: $V_{FD}$の進化は初期抵抗率に強く依存する。高抵抗サンプル（低ボーロン濃度）は、より低いTIDで最小$V_{FD}$およびその後の型反転に達する。
3. 型反転: 高用量のガンマ線照射は、ハドロン照射サンプルで見られる効果と同様に、バルクの型反転（p型からn型へ）を誘起する。これはTCTによって確認された。

本論文は、初期の実効ドープの減少はアクセプター除去（ボーロン不純物の不活性化）によって引き起こされる可能性が高く、高用量でのその後の$V_{FD}$の増加は、ダブルジャンクションの形成およびバルクの型反転に関連していると結論付けている。