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

기술 요약: 고선량 감마선 조사된 n+-in-p 실리콘 다이오드의 벌크 손상

문제 정의
미래의 고휘도 입자 가속기 실험에서 내부 트래킹 영역에 사용되는 실리콘 검출기는 극심한 방사선 환경에 직면해 있다. p형 실리콘에 대한 입자(hadron) 유기 손상에 관한 광범한 연구는 존재하지만, High Luminosity LHC 실험에 채택된 n+-in-p 기술을 위한 p형 벌크 실리콘의 감마선 유기 변위 손상(displacement damage)에 관한 포괄적인 데이터에 대한 필요성이 존재한다. 감마선으로 조사된 p형 샘플에 대한 이전 연구들은 약 3 MGy의 총 이온화 선량(TID)에 국한되어 있었다. 본 연구는 감마선 TID를 최대 8.28 MGy까지 확장하여 조사된 변위 손상을 조사하고, 전 공핍 전압($V_{FD}$), 유효 도핑 농도($N_{eff}$), 누설 전류의 진화를 특성화하며, 감마선 TID와 1 MeV 중성자 등가 플루언스 사이의 관계를 결정하는 것을 목표로 한다.

방법론
본 연구는 서로 다른 제조사에서 제공된 세 가지 유형의 표준 float-zone n+-in-p 실리콘 다이오드(A, B, C로 명명)를 활용하였다. 이 다이오드들은 유사한 기하학적 구조(활성 면적 ~0.014 cm², 두께 ~285–290 µm)를 공유하지만, 초기 벌크 비저항($\rho$)과 산소 농도가 달랐다:

• 다이오드 A & B: $\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm.
• 다이오드 C: $\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm (낮은 붕소 도핑 또는 상당한 보상).

산소 농도는 SIMO(Secondary-Ion Mass Spectrometry)를 통해 최대 14 µm 깊이까지 측정되었다. 다이오드들은 TID 범위 0.50에서 8.28 MGy까지 $^{60}$Co 감마선원(UJP PRAHA a.s. 소재)에 의해 조사되었다. 에너지 증착의 균일성을 보장하기 위해 조사는 전하 입자 평형(CPE) 박스 내에서 수행되었으며, 온도는 35 °C 미만으로 유지되었다. 조사 후 샘플은 통제되지 않은 어닐링(annealing)을 방지하기 위해 –20 °C 이하에 보관되었다.

특성 분석은 다음과 같이 수행되었다:

1. I–V 및 C–V 측정: 표준 어닐링 단계(60 °C에서 80분) 전후에 상온에서 수행되었다. 벌크 누설 전류는 가드 링 구성을 사용하여 표면 전류로부터 분리되었다.
2. 과도 전류 기술 (TCT): 적색 레이저(660 nm)를 이용한 Top-TCT가 $V_{FD}$를 검증하고, 전기장 분포를 추출하며, 조사된 다이오드의 공간 전하($N_{eff}$) 부호를 결정하는 데 사용되었다.

주요 결과

• 누설 전류: 벌크 누설 전류($\Delta I/V$)는 모든 다이오드 유형에 대해 TID에 따라 선형적으로 증가했다. 손상 계수($\alpha_\gamma$)는 초기 비저항 및 산소 농도에 의존하는 것으로 나타났다:

  • 다이오드 A ($\rho \approx 3.1$ k$\Omega\cdot$cm)의 경우 $\alpha_\gamma \approx 6.33 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$.
  • 다이오드 B ($\rho \approx 3.3$ k$\Omega\cdot$cm)의 경우 $\alpha_\gamma \approx 6.49 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$.
  • 다이오드 C ($\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm)의 경우 $\alpha_\gamma \approx 10.20 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$.
  • 표면 전류는 낮은 TID에서 급격히 증가하다가 포화되었으나, 다이오드 A는 4 MGy 이상의 선량에서 이차적인 증가를 보였다.
  • 어닐링 효과: 60 °C 어닐링 단계 후 벌크 누설 전류의 변화는 관찰되지 않았다.

• 전 공핍 전압 ($V_{FD}$) 및 유효 도핑 ($N_{eff}$):

  • $V_{FD}$와 $N_{eff}$는 TID가 증가함에 따라 초기에 크게 감소했다가, 더 높은 선량에서는 다시 증가했다.
  • $V_{FD}$가 최소치에 도달하는 TID는 초기 비저항과 상관관계가 있었다: 다이오드 C(고비저항)는 약 4.14 MGy에서 최소치에 도달한 반면, 다이오드 A와 B(저비저항)는 6 MGy 근처에서 최소치에 도달했다.
  • 다이오드 A의 경우, 6 MGy 이상에서 $V_{FD}$는 낮은 수준(~10–20 V)을 유지했으나, 7.78 MGy에서의 TCT 측정은 약 70 V에서 완전 공핍을 나타냈으며, 이는 복잡한 공간 전하 분포(이중 접합)가 C-V 측정에서 기하학적 커패시턴스에 도달하는 것을 방해했음을 시사한다.

• 공간 전하 부호 반전 (SCSI):

  • 저선량 조사 다이오드에 대한 TCT 측정은 p-type 벌크(n+-in-p 구조)의 유지를 확인했다.
  • 고선량 조사 다이오드(A 7.78 MGy, B 8.28 MGy)에 대한 TCT 측정은 n-type 벌크로의 부호 반전을 드러냈다. 전기장 분포는 다이오드의 양측에 높은 전기장 영역이 존재하는 이중 접합의 형성을 나타냈다.

• TID와 플루언스 변환:
  누설 전류의 증가가 변위 손상에 의한 것이라고 가정할 때, TID와 1 MeV 중성자 등가 플루언스($\phi_{eq}$) 사이의 변환을 추정하였다:

  • 다이오드 C ($\rho \approx 24$ k$\Omega\cdot$cm)의 경우: 1 MGy $\approx 2.6 \times 10^{11}$ neq/cm².
  • 다이오드 A 및 B ($\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm)의 경우: 1 MGy $\approx 1.6 \times 10^{11}$ neq/cm².

의의 및 결론
본 연구는 미래의 고휘도 실험에 유의미한 선량 범위인 8.28 MGy까지의 p형 실리콘 다이오드에 대한 감마선 유기 변위 손상을 특성화한다. 주요 결과는 다음과 같다:

1. 결함 안정성: 입자(hadron) 조사 샘플이 유익한 어닐링 및 역 어닐링을 보이는 것과 달리, 감마선 조사된 n+-in-p 실리콘 다이오드는 60 °C에서 80분간의 어닐링 후에도 ( $V_{FD}$ 또는 누설 전류 모두에서) 어닐링 효과의 증거를 보이지 않았다. 저자들은 이를 주로 움직이지 않는 결함(immobile defects) 때문이라고 설명한다.
2. 비저항 의존성: $V_{FD}$의 진화는 초기 비저항에 강하게 의존한다; 고비저항 샘플(낮은 붕소 농도)은 더 낮은 TID에서 $V_{FD}$의 최소점 및 그에 따른 타입 반전에 도달한다.
3. 타입 반전: 높은 선량의 감마선 조사는 입자 조사 샘플에서 관찰된 효과와 유사하게, p-type에서 n-type으로의 벌크 타입 반전을 유도한다.

본 논문은 초기 유효 도핑의 감소가 수용체 제거(acceptor removal, 붕소 도펀트의 비활성화)에 의한 것일 가능성이 높으며, 높은 선량에서의 $V_{FD}$의 후속 증가는 이중 접합 형성 및 벌크 타입 반전과 관련이 있다고 결론짓는다.