[論文レビュー] Comparison of different sensor thicknesses and substrate materials for themonolithic small collection-electrode technology demonstrator CLICTD

K. Dort, R. Ballabriga+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 29被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、標準的なエpi層の代わりに、高抵抗率Czochralski（CZ）シリコン基板を用いた小形集電電極構造のモノリシックCMOSセンサを評価している。30 µmのエピ層を100 µmのCZ基板に置き換えることで、-16 Vのバイアス条件下で有効センサ深さが2倍に増加し、空間分解能が15%向上、時間分解能が14%向上、信号が2倍に増大する。これは、粒子追跡応用におけるヒット検出効率および性能を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Small collection-electrode monolithic CMOS sensors profit from a high signal-to-noise ratio and a small power consumption, but have a limited active sensor volume due to the fabrication process based on thin high-resistivity epitaxial layers. In this paper, the active sensor depth is investigated in the monolithic small collection-electrode technology demonstrator CLICTD. Charged particle beams are used to study the charge-collection properties and the performance of devices with different thicknesses both for perpendicular and inclined particle incidence. In CMOS sensors with a high-resistivity Czochralski substrate, the depth of the sensitive volume is found to increase by a factor two in comparison with standard epitaxial material and leads to significant improvements in the hit-detection efficiency and the spatial and time resolution.

研究の動機と目的

• モノリシック小集電電極CMOSセンサにおける電荷収集に及ぼすセンサ厚さおよび基板材料の影響を調査すること。
• CLICTD技術デモンストレータにおいて、標準エピ層と高抵抗率Czochralski（CZ）シリコン基板との間で性能を比較すること。
• 斜め入射角および傾斜粒子ビーム法を用いて、有効なアクティブセンサ深さを特定すること。
• 厚みのあるCZ基板を用いることで、空間分解能・時間分解能・信号振幅・検出効率に見られる向上を評価すること。

提案手法

• エピ層の裏面研磨を用いて、40–300 µmの厚さのCLICTDセンサをプロセスした。
• エピ層を含まない高抵抗率Czochralskiシリコン基板上に100 µm厚のセンサを製作・試験した。
• DESYのテストビーム施設で、垂直および傾斜入射角の荷電粒子ビームを用いてビーム試験を実施した。
• 電荷共有特性およびクラスタサイズを測定し、アクティブ深さおよび空間分解能を推定した。
• 入射角をわずかに傾ける技術を用いて、バイアス電圧関数としての有効アクティブセンサ深さを決定した。
• η補正を適用して、クラスタサイズデータから真の空間分解能を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 センサ厚さは、小集電電極モノリシックCMOSセンサにおける電荷収集および性能にどのように影響するか？
• RQ2 エピ層を高抵抗率Czochralskiシリコン基板に置き換えることで、有効センサ深さおよび信号振幅にどのような影響が生じるか？
• RQ3 傾斜入射粒子は、CLICTDセンサにおける電荷共有および空間分解能にどのように影響するか？
• RQ4 CZベースのセンサにおいて、基板バイアスを用いることで、最大でどの程度の有効深さおよび信号増幅が達成可能か？
• RQ5 空間分解能および時間分解能の向上は、有効深さの増加とどの程度相関しているか？

主な発見

• エピ層を有するCLICTDセンサの有効深さは、約30 µmに制限され、これは名目上のエピ層厚さと一致する。
• 基板バイアス-16 V条件下で、CZベースのセンサの有効深さは65.4 ± 0.1（統計）+0.5/-0.7（系統）µmに達し、エピ層センサの2倍以上に上回る。
• CZセンサでは、有効体積が増加するため、信号振幅は2倍に増加すると予想され、4200–5200 e⁻に達する。
• 40°の入射角条件下で、空間分解能が15%向上（η補正後3.6 ± 0.2 µm）が観測された。
• 時間分解能は14%向上したが、これは電荷収集量の増加に起因する信号対雑音比の向上と関連している。
• フロントエンド電子回路は、CZ基板からの大きな信号を最適化しておらず、性能の全容が発揮されていない。