[論文レビュー] Potential for Improved Time Resolution Using Very Thin Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs)

A. Seiden, Hang Ren+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、増幅層を備えた非常に薄い（20–50 μm）超高速シリコン検出器（UFSD）が、従来の50 μm UFSDと比較して顕著に向上した10–15 psの時間分解能を達成できることを示している。この改善は、薄いセンサーにおける飽和電子移動度と高い信号対ノイズ比に起因し、高精度な粒子検出に不可欠な20 ps未満の時間性能を実現している。

ABSTRACT

Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs) are n-in-p silicon detectors that implement moderate gain (typically 5 to 25) using a thin highly doped p++ layer between the high resistivity p-bulk and the junction of the sensor. The presence of gain allows excellent time measurement for impinging minimum ionizing charged particles. An important design consideration is the sensor thickness, which has a strong impact on the achievable time resolution. We present the result of measurements for LGADs of thickness between 20 micro-m and 50 micro-m. The data are fit to a formula that captures the impact of both electronic jitter and Landau fluctuations on the time resolution. The data illustrate the importance of having a saturated electron drift velocity and a large signal-to-noise in order to achieve good time resolution. Sensors of 20 micro-m thickness offer the potential of 10 to 15 ps time resolution per measurement, a significant improvement over the value for the 50 micro-m sensors that have been typically used to date.

研究の動機と目的

• 超高速シリコン検出器（UFSD）におけるセンサー厚さが時間分解能に与える影響を調査すること。
• 標準的な50 μmセンサーと比較して、より薄いUFSDが優れた時間分解能を達成できるかどうかを特定すること。
• 電子ジャイタとランダウゆらぎが、薄いUFSDにおける時間分解能に与える寄与を定量化すること。
• 時間分解能が20 ps未満となる性能を実現するための飽和電子移動度と信号対ノイズ比の役割を評価すること。

提案手法

• n-in-pシリコン検出器を用い、高抵抗率のpバルクとジャンクションの間に、薄く高濃度ドーピングされたp++増幅層を配置した。
• 20 μmから50 μmまでの厚さのセンサーを、最小イオン化粒子による照射条件下でテストした。
• 測定されたパルス波形を、電子ジャイタとランダウゆらぎを組み合わせたモデルにフィッティングすることで、時間分解能を抽出した。
• 時間分解能に寄与する確率的（ランダウ）および電子的ノイズの両方を考慮した式を分析に用いた。
• ドリフト速度の飽和と信号振幅の影響を、タイミング性能に与える影響を分離して分析した。
• 増幅層の設計と電子的読み出し条件の最適化により、信号対ノイズ比を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 μm未満の厚さの超高速シリコン検出器は、標準センサーと比較して顕著に向上した時間分解能を達成できるか？
• RQ2 ランダウゆらぎと電子ジャイタが、薄いUFSDにおける時間分解能にどのように共同で制限要因となるか？
• RQ3 薄いセンサーにおける電子ドリフト速度の飽和が、時間分解能の向上にどの程度寄与するか？
• RQ4 UFSDで20 ps未満の時間分解能を達成するための最適なセンサー厚さは何か？
• RQ5 信号対ノイズ比は、薄いUFSDにおける達成可能な時間分解能にどのように影響するか？

主な発見

• 20 μmのセンサーは10–15 psの時間分解能を示し、50 μmセンサーと比較して顕著な改善が確認された。
• 時間分解能の向上は、主に薄いセンサーにおける電子ドリフト速度の飽和に起因している。
• 20 ps未満の時間性能を達成するためには、高い信号対ノイズ比が不可欠であることが判明した。
• ランダウゆらぎと電子ジャイタの両方が、時間分解能の上限要因として明確に特定された。
• データは、薄いセンサーが電荷収集の時間スプレッドを低減し、タイミング精度を向上させることを確認した。
• 理論的予測である、ドリフト速度が飽和している場合にセンサー厚さを小さくすることで時間分解能が向上するという仮説が、実験的に裏付けられた。