[논문 리뷰] Development of thin hydrogenated amorphous silicon detectors on a flexible substrate

M. Menichelli, M. Bizzarri외 41명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 30.

Radiation Effects in Electronics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 방사선에 노출된 극한 환경에서의 방사선 검출을 위해 유연한 폴리이미드(PI) 기판 위에 얇은 수소 도핑된 비정질 실리콘(a-Si:H) 검출기를 개발하는 HASPIDE 프로젝트를 제시한다. 이 검출기는 PI 기판과 유리 기판 양쪽에서 유망한 성능을 보이며, 방사선 내성, 얇기, 기계적 유연성 덕분에 빔 모니터링, 중성자 검출, 의료 선량 측정 등 다양한 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

The HASPIDE (Hydrogenated Amorphous Silicon PIxels DEtectors) project aims at the development of thin hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) detectors on flexible substrates (mostly Polyimide) for beam monitoring, neutron detection and space applications. Since a-Si:H is a material with superior radiation hardness, the benefit for the above-mentioned applications can be appreciated mostly in radiation harsh environments. Furthermore, the possibility to deposit this material on flexible substrates like Polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN) or polyethylene terephthalate (PET) facilitates the usage of these detectors in medical dosimetry, beam flux and beam profile measurements. Particularly interesting is its use when positioned directly on the flange of the vacuum-to-air separation interface in a beam line, as well as other applications where a thin self-standing radiation flux detector is envisaged. In this paper, the HASPIDE project will be described and some preliminary results on PI and glass substrates will be reported.

연구 동기 및 목표

• 고방사선 환경에서 사용 가능한 유연한 기판 위에 얇고 방사선 내성 있는 a-Si:H 검출기를 개발하기 위해.
• 진공-공기 플랜지에 직접 부착함으로써 빔의 유량 및 프로파일 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 의료 선량 측정 및 우주 응용 분야를 위한 자체 지지형, 얇고 유연한 방사선 검출기의 실현 가능성을 탐색하기 위해.
• 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프thal레이트(PET) 기판 위에서 검출기 성능을 평가하기 위해.
• 유연한 기판 위에 형성된 a-Si:H가 얇고, 굴곡 가능하며 방사선에 강한 검출 시스템을 위한 잠재력을 입증하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 증착 화학 기상 방법(PECVD)을 사용하여, 기판으로서의 유연한 폴리이미드(PI) 기판 위에 수소 도핑된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 증착하기 위해.
• 공간 및 유량 측정을 위해 PI 기판과 유리 기판 위에 픽셀 구조를 가진 검출기 구조를 제작하기 위해.
• 표준 반도체 공정 기법을 사용하여 금속 접점 패턴화 및 픽셀 전극 정의하기 위해.
• 방사선 노출 조건에서의 검출기 반응을 평가하여 방사선 내성 및 신호 안정성 평가하기 위해.
• 누설 전류, 전하 수확 효율, 신호 대 잡음비와 같은 전기적 특성 특성 분석하기 위해.
• PI 기반 검출기와 경성 유리 기반 검출기 간의 성능 지표를 비교하여, 성능 저하 없이도 유연성 확보 여부 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연한 폴리이미드 기판 위에 형성된 a-Si:H 검출기가 고방사선 환경에서 사용하기에 충분한 방사선 내성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 유연한 PI 기판 위에 형성된 a-Si:H 검출기의 성능이 경성 유리 기판 위의 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 유연한 a-Si:H 검출기를 진공-공기 인터페이스에서의 빔 모니터링에 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ4 유연한 기판 위에 형성된 얇고 자체 지지형 a-Si:H 검출기에서 확보 가능한 공간 해상도와 유량 해상도는 어느 정도인가?
• RQ5 PI 기판의 기계적 유연성이 신뢰할 수 있는 전기적 성능과 장기 안정성과 호환되는가?

주요 결과

• 폴리이미드 기반 a-Si:H 검출기는 낮은 누설 전류를 보이며 안정적인 전기적 특성을 나타내어 양호한 장치 품질을 나타낸다.
• 초기 결과에 따르면, PI 기반 검출기와 유리 기반 검출기 간의 전하 수확 효율이 유사하여, 유연한 기판 상에서의 실현 가능성이 확인되었다.
• 검출기는 입자 빔 및 우주 환경 응용 분야에 적합한 수준의 방사선 내성을 보였다.
• 유연한 설계 덕분에 진공 빔라인 플랜지에 직접 부착 가능하여 가속기 시설 내 통합이 간편해졌다.
• 얇음, 유연성, 방사선 내성의 조합 덕분에 이 검출기는 의료 선량 측정 및 고착형 방사선 모니터링에 이상적인 조건을 갖추고 있다.
• 이 프로젝트는 얇고 유연한 기판 위에 a-Si:H 검출기를 적용하여 차세대 방사선 검출 시스템을 위한 실현 가능성을 성공적으로 입증하였다.