CREAM 실험에서 고에너지 우주입자의 전하량 측정을 위한 실리콘 센서에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 ～10^(15)eV까지의 고에너지 우주입자의 전하량 측정을 위해 N-type, 고저항(5㏀·㎝) 웨이퍼에 PN접합 구조를 만드는 공정을 진행하고, 제작된 반도체 센서의 전기적 특성(capacitance vs. reverse bias voltage, leakage current vs. reverse bias voltage)을 측정, 보완 후 여러 차례의 센서 제작을 통해 full depletion voltage가 80±15V, leakage current가 5±3nA/㎠＠100V, 25℃인 고성능 센서를 만들었다. 이렇게 제작된 센서는 2003년 10월 제네바의 CERN(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) 연구소의 H2 beam line에서 진행한 heavy ion beam test를 통해 z=1～z=33인 하전 입자의 전하량을 δz=0.2의 분해능으로 구분해 낼 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 제작된 실리콘 센서는 우주선의 기원, 가속 및 전파 원리를 이해하기 위해 우주선의 구성성분과 에너지를 측정하는 CREAM (Cosmic Ray Energetics And Mass) 실험에 사용될 것이다. 실험은 2004년에서 2010년까지 남극에서 5～10차례에 걸쳐 진행될 예정에 있다. CREAM 탑재체는 SCD(Silicon Charge Detector), TCD(Timing based Charge Detector), CAL(CALorimeter), TRD(Transition Radiation Detector), HDS(Hodoscope) 등 총 5개의 검출기들로 구성되어 있는데, 크게 초고에너지 우주입자의 에너지를 검출하는 에너지 검출기(CAL, TRD)와 우주입자의 성분을 판별하는 성분검출기(SCD, TCD)로 나눌 수 있다. 이중 실리콘 센서를 이용한 SCD는 우주입자의 성분을 매우 정확하게 판별할 수 있는 성분검출기 시뮬레이션 연구에 의해 선택되었고, 이화여대, 경북대, 천문연, KAIST로 구성된 국내 연구진에 의해서 국내에서 개발, 제작되었다. 이 논문에서는 실리콘 센서의 디자인, PN접합 구현을 위한 공정 구성, 실리콘 센서의 전기적 특성 측정을 위한 테스트 시스템 구축, 제작된 센서의 특성 측정 결과를 기술할 것이다.;A fabrication method for pixelized PIN diode Silicon detector has been developed to identify the charge of high energy cosmic rays. The Silicon pixel sensors has been fabricated in various ways on N-type wafer with high resistivity(5㏀·㎝) and their electrical characteristics (capacitance vs. reverse bias voltage, leakage current vs. reverse bias voltage) has been tested. The full depletion voltage is measured to be 80±15V and the leakage current is 5±3nA/㎠＠100V, 25℃. These sensors were successfully tested with high energy heavy ion beams of CERN(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) H2 beam line. The test data shows excellent charge resolution of 0.2 in charge unit for the wide charge(z) range from z=1 up to z=33. Silicon sensors will be used for a high energy cosmic ray experiment(CREAM-Cosmic Ray Energetics And Mass) to measure cosmic ray elemental spectra to understand the source and acceleration mechanism of high-energy cosmic rays. The CREAM module will be flying about 5～10 times from 2004 to 2010 at the top of Antarctica atmosphere using long duration balloon for the primary cosmic ray measurement. The CREAM instrument consists of SCD(Silicon Charge Detector), TCD(Timing based Charge Detector), CAL(CALorimeter), TRD(Transition Radiation Detector) and HDS(Hodoscope). CAL and TRD are for energy measurement and SCD and TCD are to measure the charge of incoming particles. We introduce the design of silicon sensor, PN junction fabrication process and the test system for electrical characteristic of silicon sensor and the test result.