Effects of irradiation by protons, neutrons, and gamma particles on electrical properties of 4H-SiC diodes and LGAD sensors

기술 요약: 4H-SiC 다이오드 및 LGAD 센서의 전기적 특성에 대한 양성자, 중성자 및 감마 입자 조사 효과

문제 정의
실리콘 카바이드(4H-SiC)는 높은 변위 문턱 에너지, 큰 임계 전기장, 낮은 고유 캐리어 농도와 같은 고유한 특성을 가진 와이드 밴드갭 반도체로서, 방사선 내성 검출기 응용 분야에서 매우 매력적입니다. 4H-SiC 저이득 아발란치 검출기(LGAD)는 내부 이득과 유망한 성능을 입증해 왔으나, 극한의 방사선 환경에서의 거동에 관한 체계적인 연구는 여전히 제한적입니다. 특히, 높은 하드론 플루언스(hadron fluences)와 극심한 중성자 조사(neutron irradiation)가 4H-SiC 소자의 유효 공간 전하, 보상 메커니즘 및 공핍 영역의 진화에 미치는 영향을 이해할 필요가 있습니다.

연구 방법론
본 연구는 onsemi에서 6인치 웨이퍼 상에 제작한 4H-SiC P+-in-N (PN) 다이오드 및 LGAD 센서(LGAD1 및 LGAD2)를 조사하였습니다. 해당 소자들은 고농도로 도핑된 N형 기판, 고저항 N형 에피택셜 층(두께 30–100 µm), 그리고 증폭 및 접합 종단(junction termination)을 위한 특정 이온 주입 층을 특징으로 합니다.

샘플은 세 가지 서로 다른 조사 유형에 노출되었습니다:

1. 양성자 조사: CERN IRRAD에서 24 GeV/c 양성자를 사용하여 수행되었으며, 최대 $1 \times 10^{16}$ protons/cm²의 플루언스를 목표로 했습니다.
2. 중성자 조사: TRIGA Mark II 원자로(Jožef Stefan Institute)에서 원자로 중성자를 사용하여 수행되었으며, 최대 $1.0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm²의 플루언스를 목표로 했습니다.
3. 감마 조사: UJP PRAHA a.s.의 $^{60}$Co 선원을 사용하여 수행되었으며, 최대 300 kGy의 총 이온화 선량(TID)을 전달했습니다.

조사 후, 상온($+20^\circ$C)에서 전류-전압(IV) 및 커패시턴스-전압(CV) 측정을 통해 전기적 특성 분석을 수행하였습니다. 벌크 커패시턴스는 20 kHz, 1.0 V AC 신호를 사용하는 직렬 구성(CSRS)을 사용하여 측정되었습니다. 샘플은 테스트 전 의도하지 않은 어닐링(annealing)을 최소화하기 위해 $-20^\circ$C 미만의 온도에서 보관되거나 중성자 조사의 경우 감쇄(decay) 과정을 거쳤습니다.

주요 결과

• 양성자 조사:

  • 누설 전류: 낮은 플루언스에서는 누설 전류 거동이 미조사 소자와 유사했습니다. 그러나 플루언스가 $1 \times 10^{14}$ protons/cm²를 초과하면 역방향 누설 전류가 크게 감소했습니다. IV 특성은 전압 극성에 대해 거의 대칭적으로 변했습니다.
  • 커패시턴스: 높은 플루언스에서 벌크 커패시턴스는 바이어스 전압에 거의 독립적이 되었으며, 완전히 공핍된 에피택셜 층의 기하학적 커패시턴스(~15.4 pF) 근처에서 안정화되었습니다.
  • 해석: 이러한 변화는 원래의 N형 물질이 깊은 수용체형 결함(예: Z1/2 및 EH6/7 센터)에 의해 강력하게 방사선 유도 보상(compensation)을 받았음을 나타내며, 이는 유효 자유 캐리어 농도의 감소와 에피택셜 층 전체의 균일한 전기장 분포를 초과합니다.

• 중성자 조사:

  • 누설 전류: 누설 전류는 플루언스와 함께 체계적으로 증가하여, $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm²에서 약 10 nA에 도달했습니다.
  • 커패시턴스: 낮은 플루언스($2.3 \times 10^{17}$ neq/cm²)에서는 양성자 조사와 유사한 거동을 보였으나, 극심한 플루언스($5.2 \times 10^{17}$ 및 $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm²)에서는 벌크 커패시턴스가 ~2.2 pF로 급격히 감소했습니다.
  • 해석: 이 커패시턴스 감소는 명목상의 50 µm 에피택셜 두께를 훨씬 초과하는 약 350 µm의 유효 공핍 깊이에 해당합니다. 이는 공핍 영역이 고농도 도핑된 기판($10^{19}$ cm$^{-3}$) 내부로 깊숙이 침투함을 의미하며, 이는 기판의 공간 전하 밀도가 $10^{12}$–$10^{13}$ cm$^{-3}$ 수준의 유효 값으로 실질적으로 수정되었음을 시사합니다. 관찰된 누설 전류는 단순한 벌크 열적 생성보다는 확장된 공핍 부피와 전계 강화 및 표면 관련 생성 메커니즘에 기인합니다.

• 감마 조사:

  • 누설 전류: 역방향 누설 전류는 300 kGy에서도 미조사 소자와 통계적으로 유사한 수준을 유지했습니다.
  • 커패시턴스: 가장 높은 선량(300 kGy)에서만 유의미한 변화가 관찰되었습니다. PN 다이오드의 경우, 바이어스에 따른 커패시턴스 감소가 더 가팔라졌습니다. LGAD의 경우, 커패시턴스는 역방향 바이어스 범위 전체에서 거의 일정하게 유지되었습니다(~17 pF).
  • 해석: 감마 조사는 이온화 관련 메커니즘(예: 산화물/계면의 전하 트랩)을 통해 공핍 깊이나 누설 전류를 크게 변화시키지 않으면서 에피택셜 및 증폭 층의 유효 도핑 농도에 주로 영향을 미칩니다.

의의 및 결론
본 논문은 4H-SiC 소자가 탁월한 방사선 내성을 보이지만, 손상의 본질은 방사선의 종류에 따라 크게 달라짐을 보여줍니다.

• 양성자는 주로 에피택셜 층 내의 보상을 유도하여 유효 공간 전하를 수정하고 높은 플루언스에서 누설 전류를 감소시킵니다.
• 중성자는 강력한 공간 전하 수정을 통해 공핍 영역을 기판 쪽으로 급격히 확장시켜, 누설 전류에 기여하는 활성 부피를 크게 증가시키는 질적인 변화를 일으킵니다.
• 감마선은 주로 이온화 손상을 통한 유효 도핑 및 전기장 분포에 영향을 미치며, 누설 전류에는 미미한 영향을 미칩니다.

저자들은 높은 하드론 플루언스에서 방사선 유도 보상이 4H-SiC의 유효 공간 전하를 강력하게 수정하지만, 누설 전류는 확장된 공핍 부피와 전계 강화 생성 메커니즘의 조합에 의해 결정된다고 결론지었습니다. 이러한 결과는 중성자 유도 공핍 확장 및 이온화 유도 도핑 감소 효과를 고려한다면, 4H-SiC PN 및 LGAD 센서가 극한의 방사선 환경에서 작동할 수 있는 잠재력을 확인시켜 줍니다.