실리콘 에피-웨이퍼 기반의 펄스감마선 검출센서 최적화 연구

Abstract

본 연구에서는 전자장비 내방사화 기술의 새로운 효율적 접근방법인 전원제어형 방호장치에서 핵심 기능을 수행하는 고속 반도체 센서를 개발하고 그 특성을 분석하였다. 먼저, 펄스방사선에 의한 다이오드 내부에서의 생성 전하를 계산한 후 TCAD로 모델링하여 <TEX>$42{\mu}m$</TEX> 진성층의 실리콘 에피텍시 웨이퍼 기반의 고속 신호탐지용 PIN 다이오드 센서를 다양한 구조로 설계하였다. PAL의 Test LINAC의 전자빔 변환 감마방사선 4.88E8 rad(Si)/sec에 대한 실측시험에서 소자의 면적에 비례하는 광감도와 응답속도 증가 결과를 얻었으며 포화특성과 소자의 균일성을 기준으로 2mm직경의 센서를 최적으로 판단되었다. 선정 센서를 대상으로 한 펄스감마선 고출력 범위(2.47E8 rad(Si)/sec~6.21E8 rad(Si)/sec)로 선량률 가변시험에서는 개발한 소자가 시험장치의 고 선량률 영역에서 전원제어 신호처리에 충분한 60mA 이상의 광전류 피크값과 함께 350 ns 이하의 고속 응답특성을 가지는 선형적 센서임을 확인하였다. In this paper, we designed and fabricated a high-speed semiconductor sensor for use in power control devices and analyzed the characteristics with pulsed radiation tests. At first, radiation sensitive circular Si PIN diodes with various diameters(0.1 mm ~5.0 mm) were designed and fabricated using Si epitaxial wafer, which has a <TEX>$42{\mu}m$</TEX> thick intrinsic layer. The reverse leakage current of the diode with a radius of 2 mm at a reverse bias of 30 V was about 20.4 nA. To investigate the characteristic responses of the developed diodes, the pulsed gamma-radiation tests were performed with the intensity of 4.88E8 rad(Si)/sec. From the test results showing that the output currents and the rising speeds have a linear relationship with the area of the sensors, we decided that the optimal condition took place at a 2 mm diameter. Next, for the selected 2 mm diodes, dose rate tests with a range of 2.47E8 rad(Si)/sec to 6.21E8 rad(Si)/sec were performed. From the results, which showed linear characteristics with the radiation intensity, a large amount of photocurrent over 60mA, and a high speed response under 350ns without saturation, we can conclude that the our developed PIN diode can be a good candidate for the sensor of power control devices.