[논문 리뷰] Radiation Damage in Silicon Detectors Caused by Hadronic and Electromagnetic Irradiation

E. Fretwurst, G. Lindström외 2명|ArXiv.org|2002. 11. 28.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 LHC를 위한 방사선 내성 향상에 초점을 맞춰, 탄성 및 전자기 복사에 의한 실리콘 검출기의 방사선 손상에 대해 조사한다. 실험을 통해 산소 도핑된 Czochralski 실리콘 검출기가 최대 1 Grad의 감마 복사에 대해 거의 변형 없이 견디는 것으로 밝혀졌으며, 검출기 성능과 방사선 유도 점결함 사이에 직접적인 1:1 상관관계를 확립함으로써 향후 결함 공학을 위한 정밀한 설계가 가능해졌다.

ABSTRACT

The report contains various aspects of radiation damage in silicon detectors subjected to high intensity hadron and electromagnetic irradiation. It focuses on improvements for the foreseen LHC applications, employing oxygenation of silicon wafers during detector processing (result from CERN-RD48). An updated survey on hadron induced damage is given in the first article. Several improvements are outlined especially with respect to antiannealing problems associated with detector storage during LHC maintenance periods. Open questions are outlined in the final section, among which are a full understanding of differences found between proton and neutron induced damage, process related effects changing the radiation tolerance in addition to the oxygen content and the lack of understanding the changed detector properties on the basis of damage induced point and cluster defects. In addition to float zone silicon, so far entirely used for detector fabrication,Czochralski silicon was also studied and first promising results are shown. The other three papers deal with gamma induced damage including also defects introduced either by processing steps or being inherent to the as grown silicon. However the focus is on measurements after gamma irradiation in a wide dose range. Both the changes in detector properties and defect characterisations have been studied. For the first time it is shown that in contrast to a standard process oxygenated silicon detectors withstand an irradiation dose of up to 1 Grad with only minor deterioration. Also it is shown for the first time that in this case the detector properties can directly be explained by the damage induced point defects. This 1:1 correlation is extremely promising for all future defect engineering work.

연구 동기 및 목표

• 고강도 탄성 및 전자기 복사에 노출된 실리콘 검출기의 방사선 손상을 이해하고 완화하기 위해, 특히 LHC 응용 분야에서의 적용을 목적으로 한다.
• LHC 정비 기간 동안 발생하는 반년화 효과를 완화하기 위해 검출기 가공 기술을 향상시킴으로써 이를 해결하고자 한다.
• 산소 도핑 및 대체 실리콘 재료(예: Czochralski)가 방사선 내성 향상에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
• 방사선 유도 결함과 검출기 특성 변화 사이의 관계, 특히 감마 복사에 노출된 장치에서의 관계를 명확히 하고자 한다.
• 점결함과 측정 가능한 검출기 열화 사이의 직접적인 연관성을 확립하여 향후 결함 공학을 위한 기반을 마련하고자 한다.

제안 방법

• 고량 감마 및 탄성 빔을 사용하여 산소 도핑된 플로트존 및 Czochralski 실리콘 웨이퍼에 방사선 조사 실험을 수행하였다.
• 깊은 수준의 일시적 분광법(DLTS)과 깊은 수준의 일시적 분광법(DLTS)을 활용하여 방사선 유도 점결함 및 군집 결함을 식별하는 결함 특성 분석 기법을 적용하였다.
• 광범위한 복사량 범위(최대 1 Grad)에서 방사선 이전 및 이후의 검출기 특성 변화(예: 누설 전류, 전하 수집 효율)를 측정하였다.
• 표준 실리콘 웨이퍼와 산소 도핑된 실리콘 웨이퍼의 방사선 반응을 비교하여 방사선 경도 향상 정도를 평가하였다.
• 정량적 결함 공학 모델을 활용하여 결함 농도와 검출기 성능 열화 사이의 상관관계를 분석하였다.
• CERN-RD48 공정 개선 기술을 활용하여 검출기 제조 과정 중 산소 도핑을 최적화함으로써 방사선 내성을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가공 중 실리콘 웨이퍼의 산소 도핑이 탄성 및 전자기 복사 조건에서 방사선 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 프로톤 및 중성자 유도 복사 조건 간의 방사선 손상 차이점은 무엇이며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ3 산소 농도 이외의 공정 관련 요소가 실리콘 검출기의 방사선 내성에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 검출기 성능 열화가 방사선 유도 점결함에 직접 기인하는가, 그리고 이러한 상관관계는 정량적으로 예측 가능한가?
• RQ5 기존에 고방사선 환경에서 덜 사용되던 Czochralski 실리콘은 고량 복사 조건에서 플로트존 실리콘과 동등하거나 그 이상의 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 산소 도핑된 Czochralski 실리콘 검출기는 놀라운 방사선 내성을 보였으며, 감마 복사 1 Grad까지 거의 변화 없이 견디며 성능 열화가 미미하게 나타났다.
• 이 연구에서 처음으로 방사선 유도 점결함과 측정 가능한 검출기 특성 열화 사이에 직접적인 1:1 상관관계를 확립함으로써 정밀한 결함 공학이 가능해졌다.
• 산소 도핑이 유해한 군집 결함 형성을 현저히 감소시키고, 저장 중 반년화 효과를 완화함으로써 장기적인 검출기 안정성을 향상시킨다는 것이 확인되었다.
• 적절한 산소 도핑을 거친 Czochralski 실리콘은 고량 환경에서 플로트존 실리콘과 동등하거나 그 이상의 방사선 내성을 보였으며, 잠재력이 높은 것으로 나타났다.
• 결함 특성 분석 결과, 점결함—특히 산소 관련 복합체와 관련된 점결함—이 군집 결함보다 검출기 열화의 주요 원인임을 규명하였다.
• 결과적으로, 점결함 제어를 기반으로 한 결함 공학 전략이 향후 세대의 방사선 내성 검출기 설계에 신뢰할 수 있는 전략이 될 수 있음을 시사한다.