ATLAS ITk MD8 다이오드 저선량 감마 조사 연구

초록

본 연구는 ATLAS ITk 스트립 센서에 사용되는 n⁺‑in‑p MD8 다이오드를 60Co 감마선으로 0.5 krad부터 100 krad까지 저선량 조사하고, 총전류·벌크전류·표면전류를 분리 측정하였다. 조사 후 표면전류가 급격히 증가하고 벌크전류는 거의 변하지 않으며, 100 krad 이하에서는 표면전하 포화 현상이 관찰되지 않았다. 60 °C–100 °C에서의 저온 어닐링은 전류를 약간 상승시키지만, 100 °C 이상 고온 어닐링은 전류를 원래 수준으로 회복시킨다. 온도 의존성 분석을 통해 총·벌크·표면 전류 모두 동일한 활성화 에너지(~1.20 eV)를 갖는 것으로 확인되었다.

상세 분석

이 논문은 HL‑LHC 환경에서 요구되는 1.6 × 10¹⁵ n_eq cm⁻² 및 66 Mrad의 방사선 내성을 갖춘 ATLAS ITk 스트립 센서를 위한 기본 소자인 MD8 다이오드의 저선량 감마 방사선 효과를 정량적으로 규명한다. 두 종류의 다이오드(MD8, p‑stop이 추가된 MD8p)를 사용함으로써, p‑stop 구조가 표면 전류와 에지 전류를 어떻게 억제하는지 비교하였다. 조사 전후 I‑V 특성을 300 V 역바이어스에서 측정했으며, 전류를 벌크 전류(I_BULK)와 표면 전류(I_SURF)로 명확히 구분하였다. 결과는 다음과 같다.

1. 전류 변동 양상: 저선량(0.5–100 krad) 감마 조사 후, 총 전류 증가는 주로 표면 전류의 급격한 상승에 기인한다. 벌크 전류는 0 krad에서 100 krad까지 거의 일정하게 유지되며, 이는 n⁺‑in‑p 구조가 비이온화 손상(NIEL)에 대해 높은 내성을 가짐을 의미한다. 특히 8 krad 부근에서 관측된 작은 변동은 두 조사 캠페인 간의 선량 측정 오차(≤5 %)에 기인한다.

2. 표면 전류 포화: 이전 연구에서는 66 Mrad에서 표면 전류가 포화된다고 보고했지만, 현재 100 krad 이하에서는 포화 현상이 나타나지 않았다. 이는 포화 임계선량이 100 krad와 66 Mrad 사이에 존재함을 시사한다. 따라서 초기 운용 단계에서 표면 전류가 계속 증가할 가능성이 있으며, 전류 관리 전략(예: 냉각 및 전압 최적화)이 필요하다.

3. p‑stop 효과: MD8p 다이오드는 p‑stop이 삽입된 구조로, 에지 전류와 표면 전류가 약간 더 크게 측정되었다. 이는 p‑stop이 전하 수집 영역을 확대시켜 전류 측정에 더 명확한 경계를 제공하기 때문이며, 실제 스트립 센서에서 전류 분리를 위한 설계 가이드라인으로 활용될 수 있다.

4. 어닐링 특성: 60 °C에서 80 min 어닐링 후 표면·벌크 전류가 약간 증가했으며, 특히 450 V 이상 고전압에서는 증가폭이 제한적이었다. 시간에 따른 어닐링(최대 1280 min)에서는 전류가 약 640 min에서 포화되는 경향을 보였다. 반면, 100 °C 이상 고온 어닐링(80 °C–300 °C, 20 min 단계)에서는 전류가 크게 감소해 조사 전 수준으로 회복되었다. 이는 감마 방사에 의해 생성된 SiO₂ 트랩과 인터페이스 트랩이 고온에서 재배열·소멸함을 의미한다.

5. 온도 의존성 및 활성화 에너지: -50 °C~+20 °C 구간에서 전류를 I(T)=A·T²·exp(-E_A/2kT) 형태로 피팅한 결과, 총·벌크·표면 전류 모두 거의 동일한 활성화 에너지(E_A≈1.20 eV)를 보였다. 이는 전류가 주로 실리콘 본체의 열적 활성화 메커니즘에 의해 지배되며, 표면 전류도 SiO₂/Si 인터페이스 트랩에 의해 유도된 전자 흐름이 동일한 온도 의존성을 가진다는 점을 시사한다.

6. 실험적 신뢰성: 선량 불확실성 <5 %와 온도·습도 제어(20 ± 0.1 °C, <1 % RH) 하에서 측정이 수행되었으며, 비정상적인 전류 변동이 없었다. 또한, 동일 샘플에 대해 다중 어닐링 및 온도 스캔을 수행함으로써 결과의 재현성을 확보하였다.

핵심 인사이트: (1) 저선량 감마 방사에서는 표면 전류가 주된 손실 메커니즘이며, 포화 임계선량이 아직 확인되지 않았다. (2) p‑stop 구조는 전류 분리를 용이하게 하지만 표면 전류 자체를 감소시키지는 않는다. (3) 100 °C 이상 고온 어닐링은 방사선 손상을 완전히 회복시킬 수 있어, 초기 운용 시점에 고온 어닐링 프로세스를 고려할 필요가 있다. (4) 온도 의존성 분석을 통해 전류 모델링에 동일한 활성화 에너지를 적용할 수 있어, 시뮬레이션 및 예측에 활용 가능하다.