Neutron(중성자)

중성자는 전하를 띠고 있지 않기 때문에 전기적인 힘이 작용하지 않습니다. 따라서 중성자는 물질을 통과할 때 직접적인 이온화(원자가 전하를 띠는 것)를 일으킬 수 없습니다. 즉, 중성자가 물질 내에서 에너지를 잃는 유일한 방식은 탄성 또는 비탄성 핵반응(혹은 드물게 짝지어지지 않은 전자와의 자기 상호작용)을 통해서만 가능합니다. 쉽게 말해서 중성자는 전기적으로 중성이기 때문에 전기적인 힘이 작용하지 않고 직접 입자에 충돌하여 에너지를 전달합니다. 이처럼 입자와 제한적인 상호작용 방식 때문에 중성자는 투과력이 매우 높습니다. 지상에서 흔히 존재하는 중성자는 SEE를 유발할 수 있으나, TID와 DD를 유발할만큼 큰 에너지를 갖고 있지는 않습니다.

Proton(양성자)

중성자와 거의 같은 질량을 가진 양성자는 양전하를 띠기 때문에 물질 내에서 다르게 동작합니다. 양성자는 중성자처럼 다양한 핵반응을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 양전하를 띠고 있어 이온화를 발생시키기도 합니다. 양성자가 전자와 만나면 전자들을 끌어당기고, 양성자 자신은 양전하를 가진 원자핵으로부터 척력을 받습니다. 50 MeV 이하의 운동 에너지를 가진 양성자는 전기적인 힘에 의해 원자핵에 도달하기 전에 튕겨 나가게 됩니다. 반면, 50 MeV 이상의 에너지를 가진 양성자는 전기적인 힘을 뚫고 핵에 도달할 수 있어, 중성자처럼 핵반응을 일으킬 수 있습니다. 우주에 흔히 존재하는 양성자는 SEE의 주요 원인이며, TID와 DD까지 유발할 수 있습니다.

Elastic Reaction(탄성 반응)

탄성 반응은 중성자가 표적 원자핵과 부딪혀 운동 에너지를 일부 전달하고, 그 결과 에너지가 감소한 상태로 튕겨 나가는 현상입니다. 이때 원자핵은 충격을 받아 반동하게 되며(recoil nucleus), 충돌 과정에서 질량 보존과 에너지 보존 법칙이 모두 만족됩니다. 소자에 중성자가 입사되고, 입사한 중성자의 운동 에너지가 충분히 크고(보통 100 keV 이상의 경우), 그 에너지가 표적 원자핵에 효과적으로 전달되면, 해당 원자핵은 원래의 위치에서 밀려나게 되며, 이를 반동 핵(recoil nucleus)이라 부릅니다. 이러한 중성자 유도 결함은 반도체 장치 내에서 국소적인 전기적 특성 변화를 유발할 수 있습니다.
중성자나 양성자 충돌이 반복적으로 누적되면, 이러한 결함이 쌓여서 변위 손상(Displacement Damage)이 발생합니다. 또한, 각각의 중성자 충돌에 의해 생성된 반동 핵은 중이온(heavy ion)이기 때문에, 충돌 지점을 벗어나며 많은 이온화를 유발할 수 있습니다. 따라서, 각 반동 핵은 단일이벤트효과(SEE, Single-Event Effect)를 일으킬 수 있습니다.

Inelastic Nuclear Reaction (비탄성 핵반응)

비탄성 반응에서는 중성자가 원자핵에 흡수되며, 이때 중성자의 질량과 에너지가 원자핵의 여기(excited state)로 전환됩니다. 이 과잉 에너지를 방출하는 방식에는 여러 가지가 있으며, 이는 표적 원자핵의 종류와 입사 중성자의 운동 에너지에 따라 달라집니다. 수 MeV에서 수십 MeV 범위의 중성자의 경우, 포획된 중성자의 에너지가 모든 핵자(nucleons)들 사이에 공유되는 것이 일반적인 결과입니다. 이때 원자핵은 분열되며, 보통 하나 이상의 가벼운 입자들(핵자 또는 경입자)과 함께 더 무거운 반동 핵(recoil nucleus)으로 나뉘고, 동시에 감마선(gamma ray)도 방출됩니다.
이렇게 방출된 모든 입자들은 MeV 단위의 에너지를 가지므로 이온화를 유발할 수 있습니다. 이러한 2차 방사선(secondary radiation)이 중성자에 의해 발생하는 SEE의 주된 원인입니다. 특정 원소의 원자핵은, 반응 중에 거의 같은 질량을 가진 두 개의 반동 조각으로 분열되며 하나 이상의 중성자를 방출하기도 합니다. 이러한 반응이 원자로의 원리인 핵분열(nuclear fission)입니다.
하지만 반도체 소자에서 이러한 무거운 원소들은 극미량(10억 분의 1 수준의 불순물)으로만 존재하므로, 핵분열은 총 이온화 선량(TID)이나 단일이벤트효과(SEE)의 주된 원인은 되지 않습니다. 보통 수십 keV 이하의 열 중성자(thermal neutron)를 입사할 경우, 이 중성자는 핵에 흡수되고, 그 초과 에너지는 감마선(gamma ray)으로 방출됩니다.

Spallation (스폴레이션)

중성자의 에너지가 100 MeV를 초과하면, 중성자의 파장은 짧아져 더 이상 원자핵 전체와 상호작용하지 않고, 원자핵 내부의 단일 핵자(중성자 또는 양성자)에 대부분 또는 전체 에너지를 전달하게 됩니다. 이러한 현상을 스폴레이션(spallation)이라고 부릅니다. 이때 중성자는 원자핵 내부의 하나의 중성자 또는 양성자에 에너지를 전달하고, 여기된 원자핵은 원래 자리에서 튕겨나가며, 이후 물질의 내부를 지나며 추가적인 핵반응을 일으킬 수 있습니다.

아래 이미지는 중성자에 의한 비탄성 핵반응 이후에 나타나는 4가지 현상을 정리한 그림입니다.

중성자에의한현상

비탄성 핵 반응 이후 여기된 핵에서 나타나는 4가지 현상


관련 글