변위손상선량은 입자 수가 다른 시험을 어떻게 비교할까
광소자가 방사선에 노출된 뒤 같은 빛에도 작은 current를 낸다면, 절연막 전하만 확인해서는 원인을 놓칠 수 있다. 입자가 결정의 원자를 원래 자리에서 밀어내며 남긴 결함도 carrier의 경로를 바꾼다. 변위손상선량은 이런 비이온화 에너지 전달을 노출량과 연결해 비교하는 양이다.
결함은 격자의 자리에서 시작한다
충돌이 원자를 밀어내면 비어 있는 격자 자리와 정상 자리가 아닌 위치의 원자가 생길 수 있다. 전달 에너지가 충분하면 후속 충돌도 이어진다. NASA는 이런 결함의 상태가 carrier의 생성·재결합·포획과 소자의 전기적 반응에 관여한다고 설명한다. 광소자에서는 생성한 carrier가 수집되기 전에 잃어버려지는 경로가 늘 수 있다. NASA RHA Guidelines, 본문 34–35쪽 6.2–6.3절
충돌 횟수를 세는 것만으로 결과를 비교하기는 어렵다. 입자의 종류와 에너지, target의 재료에 따라 변위 손상에 기여하는 에너지 전달이 달라지기 때문이다. 표면에 도달한 입자 에너지와 내부의 각 위치에서 갖는 에너지도 구분해야 한다.
fluence에 에너지별 가중치를 곱한다
입자 fluence Φ는 단위 면적당 누적 입자 수이며 cm⁻²로 적는다. 단일 에너지에서 단순 NIEL scaling을 적용하는 모델이라면 변위손상선량 Dd=Φ×NIEL이다. 여기서 NIEL은 해당 입자·에너지·재료의 비이온화 에너지 손실 가중치다. 에너지 분포가 있으면 각 구간의 fluence에 그 구간의 NIEL을 곱해 더한다.
ESA의 모델 자료는 NIEL에 MeV·cm²/g, 변위손상선량에 MeV/g를 사용한다. 단위를 곱하면 cm²가 상쇄되어 왜 결과가 에너지/질량인지 보인다. ESA Network of Models, NIEL의 입출력 단위
가상 target의 두 시험을 정하자. A는 Φ=10¹⁰cm⁻², NIEL=0.002MeV·cm²/g이고 B는 Φ=2×10⁹cm⁻², NIEL=0.010MeV·cm²/g다. 둘의 Dd는 모두 2×10⁷MeV/g다. B는 입자 수가 A의 1/5이지만 입자당 가중치가 다섯 배다. 이 숫자는 실제 입자 표에서 가져온 값이 아니라 단위와 가중 합을 보여 주려고 정한 입력이다.
따라서 ‘입자 수를 적게 맞았으니 손상이 적다’는 비교는 가중치를 생략한다. 반대로 같은 Dd라는 계산만으로 두 소자의 출력 감소가 반드시 같다고 결론 내려도 조건 하나를 더 생략한 것이다.
같은 선량을 같은 변화로 읽는 데에는 검증이 필요하다
NIEL scaling은 관심 성능의 손상과 Dd 사이에 비교 가능한 관계가 있을 때 유용하다. 그러나 결함이 고립되어 생기는지 군집을 이루는지, 어떤 결함이 해당 성능에 기여하는지에 따라 단순한 관계가 어긋날 수 있다. NASA는 특히 다른 재료나 에너지 범위에 이 관계를 옮길 때 검증이 필요하다고 설명한다. NASA 원문 본문 36–37쪽 6.4.3절
앞의 모델에서 기준 입자의 NIEL을 가상 0.005MeV·cm²/g로 정하면, 같은 Dd에 해당하는 등가 fluence는 2×10⁷/0.005=4×10⁹cm⁻²다. 이는 정한 가중치의 환산이다. 모든 carrier 수집률과 수명, 모든 재료의 시험을 동일하게 만드는 보증은 아니다.
조사 뒤 온도와 저장 시간도 결함의 남은 상태를 바꿀 수 있다. dark current를 관심 항목으로 잡은 검증이 다른 항목인 광출력이나 timing의 동등성을 자동으로 입증하지는 않는다. 같은 ‘손상’이라는 말 아래에서 판정한 성능이 무엇인지 명시해야 한다.
노출 조건과 성능 변화를 같이 보관한다
한 입자는 이온화와 변위 손상을 함께 만들 수 있다. 따라서 관측한 변화가 어느 경로에서 왔는지 시험을 해석할 때 구분해야 한다. 이온화선량 하나를 변위손상선량의 대체값으로 놓을 수는 없다.
변위손상선량의 장점은 입자 수가 다른 시험에 물리적 가중치를 붙여 비교하게 해 준다는 것이다. 실제 사용에서는 target 재료와 내부 에너지 분포, 적용한 NIEL 관계, 관심 성능의 검증 범위와 조사 뒤 상태를 함께 기록한다. 가중 합을 계산한 뒤 그 가중 합이 해당 소자의 변화까지 잘 설명하는지 확인해야 비교가 완성된다.