[論文レビュー] Electric field measurement in heavily irradiated pixel sensors

A. Dorokhov, Y. Allkofer+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2004

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、深さ関数としてのローレンツ歪みと電子移動度を分析することにより、重度に放射線被ばくしたシリコンピクセルセンサ内の電界を測定する新規手法を提示する。この手法はCERNのH2ビームラインで浅い入射角のビームを用いて実証され、電荷収集および歪みの正確なシミュレーションを可能にし、非被ばくおよび最大1×10¹⁵ neq/cm²までの被ばくセンサにおいて測定値と強く一致する結果を得た。

ABSTRACT

A new method for the extraction of the electric field in the bulk of heavily irradiated silicon pixel sensors is presented. It is based on the measurement of the Lorentz deflection and mobility of electrons as a function of depth. The measurements were made at the CERN H2 beam line, with the beam at a shallow angle with respect to the pixel sensor surface. The extracted electric field is used to simulate the charge collection and the Lorentz deflection in the pixel sensor. The simulated charge collection and the Lorentz deflection is in good agreement with the measurements both for non-irradiated and irradiated up to 1E15 neq/cm2 sensors.

研究の動機と目的

• 重度の放射線被ばく後のシリコンピクセルセンサのバルク部における電界を信頼性高く測定する手法を開発すること。
• 放射線損傷によって劣化したセンサにおける電荷収集およびローレンツ歪みを正確にシミュレートする課題に対処すること。
• CERNでのビームテストから得た実験データを用いて、電界抽出手法の妥当性を検証すること。
• 高輝度LHCアップグレードに該当する高放射線条件下でのセンサ性能の改善されたシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• CERNのH2ビームラインで浅い入射角のビームを用い、センサ内での電子の測定可能なローレンツ歪みを誘発する。
• 電子のドリフトおよび歪みを深さ関数として測定し、センサバルク部の電界プロファイルを推定する。
• ドリフト時間および歪み角から電子移動度を抽出し、電界に制約を加える。
• 測定された電界を電荷収集およびローレンツ歪みシミュレーションの入力として使用する。
• シミュレーション結果を実験データと比較し、非被ばくおよび被ばくセンサの両方で手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重度に被ばくしたシリコンピクセルセンサのバルク部における電界をどのように実験的に抽出できるか？
• RQ2 被ばくセンサにおける電子のローレンツ歪みが、内部電界とどの程度相関するか？
• RQ3 抽出された電界は、非被ばくおよび被ばくセンサの両方における電荷収集および歪みを正確に予測できるか？
• RQ4 放射線損傷の増加に伴い、電界プロファイルはどのように変化するか、最大1×10¹⁵ neq/cm²まで？

主な発見

• ローレンツ歪みおよび電子移動度の測定を用いて、センサバルク部の電界プロファイルを成功裏に抽出した。
• 測定された電界を用いることで、非被ばくおよび被ばくセンサの両方における電荷収集およびローレンツ歪みの正確なシミュレーションが可能になった。
• シミュレートされた電荷収集および歪みは、全被ばくレベルで実験データと良好に一致した。
• 1×10¹⁵ neq/cm²のような高いフルエンスにおいても、この手法は有効であり、放射線誘発損傷によって顕著に特性が変化するセンサに対しても有効である。