차세대 4H‑SiC 저이득 어벌레 검출기 설계와 실험적 평가

초록

본 논문은 onsemi에서 제조한 4H‑SiC 기반 LGAD(Low‑Gain Avalanche Detector)의 설계·제작·초기 전기·광학·입자 테스트 결과를 보고한다. 30 µm·50 µm 에피택시층, N‑type 기판에 1 µm 깊이의 고도핑 게인 레이어를 도핑해 내부 전하 증폭을 구현했으며, 85 % 이상의 디바이스가 500 V 이상 브레이크다운 전압과 µA 이하 누설 전류를 보였다. TCT와 90Sr 베타 소스 측정에서 약 20배의 전하 증폭과 100 ps 이하의 타이밍 정밀도가 확인되었다.

상세 분석

4H‑SiC는 3.26 eV라는 넓은 밴드갭을 가지고 있어 방사선 내성이 뛰어나고 고온·고전압 환경에서도 안정적으로 동작한다. 그러나 밴드갭이 넓어 기본 전하 생성량이 실리콘에 비해 3배 이상 낮고, 50 µm 이상 두꺼운 에피택시층을 균일하게 성장시키기 어려워 입자 검출 효율이 제한된다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서는 전통적인 실리콘 LGAD와 동일한 이온 주입 방식을 적용해, 전면에 얇은 고도핑 게인 레이어(≈1 µm)를 삽입하였다. 이 레이어는 약 150 V에서 먼저 전계가 포화되어 전자‑정공 쌍이 급격히 증폭되는 ‘Avalanche’ 현상을 유도한다.

디바이스는 3 × 3 mm² 크기의 PN 다이오드와 두 종류의 LGAD(LGAD1, LGAD2)로 구성되었으며, 각각 다른 게인 레이어 도핑 농도를 적용해 내부 증폭률을 조절하였다. 에지 터미네이션은 전력 전자에서 흔히 쓰이는 JTE(Junction Termination Extension) 구조로 설계돼 1 kV 이상의 브레이크다운 전압을 목표로 했다.

전기적 특성 평가는 500 V까지 전압을 인가할 수 있는 Keithley 2657A와 수동 프로브 스테이션으로 수행했으며, 누설 전류는 100–300 V 구간에서 µA 이하, 브레이크다운 전압은 대부분 500 V 이상으로 나타났다. CV 측정은 1/C²와 C 곡선을 통해 게인 레이어와 에피택시층의 완전 소멸 전압을 각각 150 V와 200–250 V로 확인했다. 이는 설계값과 일치하며, 게인 레이어가 먼저 소멸된 뒤 본체 에피택시가 소멸함을 보여준다.

Transient Current Technique(TCT)에서는 375 nm, 서브 나노초 레이저 펄스를 이용해 전하 이동 현상을 실시간으로 기록했다. LGAD1은 800 V에서 약 20배의 전하 증폭을, LGAD2는 기대 이하의 증폭을 보였으며, 전류 파형은 수십 피코초 수준의 빠른 수집 시간을 나타냈다. 베타 소스(90Sr) 실험에서도 동일한 증폭 비율이 재현되었으며, MPV(Most Probable Value) 분석을 통해 MIP(최소 이온화 입자)당 약 2 550 e⁻(50 µm SiC 기준)와 비교해 실제 수집 전하가 20배 정도 증가함을 확인했다. 타이밍 해상도는 800 V에서 100 ps 이하로, 고에너지 물리 실험에서 요구되는 수십 피코초 수준에 근접했다.

전체 디바이스 중 85 %가 전기적·광학적 테스트를 통과했으며, 이는 4H‑SiC LGAD의 양산 가능성을 시사한다. 다만 LGAD2의 낮은 증폭 및 불안정성은 게인 레이어 도핑 프로파일 최적화가 필요함을 보여준다. 향후 방사선 내구성(1 × 10¹⁶ n_eq cm⁻²) 테스트와 베타·프로톤 빔 테스트, TCAD 시뮬레이션을 통한 전계 최적화가 진행될 예정이다.

이 연구는 기존 실리콘 LGAD의 뛰어난 타이밍 성능을 4H‑SiC에 성공적으로 이전함으로써, 고방사선, 고온, 고전압 환경에서의 트래킹 및 타이밍 검출기 개발에 새로운 길을 제시한다.