[논문 리뷰] Radiation damage to neutron and proton irradiated GaAs particle detectors

S. Joost, M. Kienzle외 9명|ArXiv.org|1997. 04. 04.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 중성자 및 양성자 조사 후 200 µm 두께의 반도체 절연체 GaAs 기반의 슈트키 다이오드에서 방사선 손상을 조사한다. 알파 스펙트로스코피, MIP 반응 및 I-V/CV 측정을 통해, 검출기 성능—특히 누설 전류 및 신호 반응—이 초기 기판의 전기적 저항도에 크게 의존하며, 24 GeV/c 양성자에 대해 경도 계수는 7±0.9이며, 2×10¹⁴ p/cm² 조사 후 200 V에서 MIP 반응은 5250 e⁻을 기록한다.

ABSTRACT

The radiation damage in 200 um thick Schottky diodes made on semi-insulating (SI) undoped GaAs Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) bulk material with resistivities between 0.4 and 8.9*10E7 Ohm*cm were studied using alpha-spectroscopy, signal response to minimum ionising particles (MIP), I-V and CV-measurements. The results have been analysed to investigate the influence of the substrate resistivity on the detector performance after neutron and proton irradiation. The leakage current density, signal response to alpha-particles and MIPs show a strong dependence on the resistivity before and after irradiation. An observed decrease of the electron mean free drift length before and after irradiation with increasing substrate resistivity can be explained by a model involving the different ionisation ratios of defects, which are introduced by the irradiation. Comparison of the radiation damage due to neutrons and protons gives a hardness factor of 7+-0.9 for 24 GeV/c protons. The best detectors show a response to MIPs of 5250 e- at 200 V reverse bias after a irradiation level of 2*10E14 p/cm^2.

연구 동기 및 목표

• 중성자 및 양성자 조사 조건에서 GaAs 슈트키 다이오드의 방사선 내성을 평가하기 위해.
• 초기 기판 저항도가 조사 후 검출기 성능에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 방사선 유도 결함을 정량화하고, 누설 전류 및 신호 반응에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 경도 계수를 사용하여 중성자와 양성자에 의한 손상 정도를 비교하기 위해.
• 고제제량 조사 후 높은 신호 반응을 유지할 수 있는 최적의 저항도 범위를 규명하기 위해.

제안 방법

• 초기 저항도가 0.4에서 8.9×10⁷ Ω·cm인 반도체 절연체, 불순질이 없는 GaAs 기반 200 µm 두께의 슈트키 다이오드를 제작하였다.
• 신호 반응 및 에너지 해상도 열화를 측정하기 위해 알파 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 역방향 편압 조건에서 최소 이온화 입자(MIP) 반응을 측정하여 전하 수집 효율을 평가하였다.
• 누설 전류 및 운반자 농도 변화 분석을 위해 I-V 및 C-V 측정을 수행하였다.
• 전자 평균 자유로운 이동 길이가 저항도에 따라 어떻게 영향을 받는지 설명하기 위해 결함 이온화 비율 모델을 사용하였다.
• 24 GeV/c 양성자 및 중성자에 의한 방사선 손상을 비교하여 경도 계수를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 절연체 GaAs 기반 기판의 초기 저항도가 조사 후 발생하는 방사선 유도 누설 전류 및 신호 반응에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 조사항 후 기판 저항도에 따라 전자 평균 자유로운 이동 길이와의 관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 GaAs 검출기에서 양성자 조사와 중성자 조사의 손상 정도는 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 고제제량 양성자 조사 후 GaAs 검출기에서 도달 가능한 최대 MIP 신호 반응은 얼마인가?
• RQ5 결함 이온화 비율 모델이 GaAs에서 관찰된 저항도 의존성 방사선 손상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• GaAs 검출기의 누설 전류 밀도 및 MIP 신호 반응은 조사 이전 및 이후 모두 초기 기판 저항도에 강하게 의존한다.
• 기판 저항도가 증가할수록 전자 평균 자유로운 이동 길이가 감소하며, 이는 조사에 의해 유도된 결함 이온화 비율의 차이로 설명된다.
• 24 GeV/c 양성자에 대한 중성자 대비 경도 계수는 7±0.9이며, 이는 양성자가 단위 조사량당 더 적은 손상을 유도함을 시사한다.
• 최고 성능을 보인 검출기는 2×10¹⁴ p/cm²의 조사 농도를 견뎌낸 후 200 V 역편압 조건에서 MIP 신호 반응 5250 e⁻을 유지한다.
• 초기 저항도가 높은 검출기는 더 큰 신호 반응 열화를 보이며, 이는 초깃값의 품질과 방사선 내성 사이의 상충 관계를 시사한다.
• 이 연구는 GaAs에서의 방사선 손상이 결함 에너지 수준 분포에 의해 강하게 영향을 받으며, 이는 기판 저항도에 따라 달라진다는 점을 확인한다.