[논문 리뷰] Characterization of timing and spacial resolution of novel TI-LGAD structures before and after irradiation

M. Senger, Ashish Bisht외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중성자 선량 35×10¹⁴ neq cm⁻²까지 조사된 신규 터널 고립형 LGAD(TI-LGAD) 픽셀 검출기의 공간 해상도 및 타이밍 해상도를 조사한다. TI-LGAD 설계는 픽셀을 고립시키기 위해 에칭한 실리콘 터널을 사용하여 사각지대를 줄이고 필드 팩터를 향상시킨다. 주요 결과로는 조사 이전에 공간 해상도가 30 µm 이하, 타이밍 해상도가 약 5 ps였으며, 조사 후에는 약 20 ps로 악화되었고, 교차 캐리지(crosstalk)는 최소 수준이었으며, 다양한 설계에서 안정된 성능을 보였다.

ABSTRACT

The characterization of spacial and timing resolution of the novel Trench Isolated LGAD (TI-LGAD) technology is presented. This technology has been developed at FBK with the goal of achieving 4D pixels, where an accurate position resolution is combined in a single device with the precise timing determination for Minimum Ionizing Particles (MIPs). In the TI-LGAD technology, the pixelated LGAD pads are separated by physical trenches etched in the silicon. This technology can reduce the interpixel dead area, mitigating the fill factor problem. The TI-RD50 production studied in this work is the first one of pixelated TI-LGADs. The characterization was performed using a scanning TCT setup with an infrared laser and a 90Sr source setup.

연구 동기 및 목표

• 신규 터널 고립형 LGAD(TI-LGAD) 픽셀 검출기의 공간 해상도 및 타이밍 해상도 평가
• 중성자 선량 35×10¹⁴ neq cm⁻²까지의 조사 조건에서 TI-LGAD 장치의 방사선 내성 평가
• 고해상도 4D-픽셀 응용 분야에 최적화된 설계 매개변수(접촉 유형, 터널 수, 깊이, 픽셀 경계) 규명
• 조사 후 열처리가 TI-LGAD의 전기적 성능(이득, 타이밍 해상도, 누설 전류)에 미치는 영향 조사

제안 방법

• 공간 해상도 및 타이밍 해상도 측정을 위해 적외선 레이저(1064 nm, σ ≈9 µm)를 사용한 스캐닝 일시적 전류 기술(TCT) 장치를 활용한 특성 분석
• 레이저 펄스를 100 ns 지연이 있는 두 경로로 분할하여 일정 분할 기준 분석(CFD)을 통한 타이밍 해상도 측정 수행
• 실제 고에너지 물리학(High-Energy Physics, HEP) 검출기 환경을 모의하기 위해 90Sr 베타 원천 장치를 사용하여 타이밍 해상도 측정
• JSI에서 반응기 중성자를 이용해 선량 15, 25, 35×10¹⁴ neq cm⁻²로 장치 조사
• 픽셀 간 거리는 인접한 픽셀에서 최대 전하의 50%가 수집되는 지점 간의 거리로 정의됨
• 열적 조건 안정화 및 노이즈 감소를 위해 -20 °C에서 측정 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 설계 매개변수에 따라 TI-LGAD 장치의 조사 이전 및 이후 공간 해상도는 어떻게 되는가?
• RQ2 bias 전압 및 설계 매개변수에 따라 TI-LGAD의 타이밍 해상도는 조사 이전 및 이후 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고방사선 환경에서 터널 고립이 픽셀 간 교차 캐리지(crosstalk)를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 조사 후 열처리가 TI-LGAD의 전기적 성능(이득, 타이밍 해상도, 누설 전류)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 최소 이온화 입자(MIPs)에 노출되었을 때 TI-LGAD의 타이밍 해상도는 90Sr 베타 원천 측정을 통해 얼마인가?

주요 결과

• 조사 이전, 모든 TI-LGAD 장치는 200 V에서 약 5 ps의 타이밍 해상도를 달성했으며, 설계 패tern과 무관하게 일관된 성능을 보였다.
• 조사 이후, 600 V 이하의 bias 전압 범위에서 모든 장치에서 타이밍 해상도가 약 20 ps로 악화되었고, 설계 매개변수에 대한 체계적인 의존성은 없었다.
• 픽셀 간 거리는 설계 매개변수에 가장 민감하게 반응했으며, 최적의 구성은 1개의 터널, 깊은 터널 깊이(D3), 픽셀 경계 V2, 고리형 접촉 유형이었다.
• 모든 경우에서 픽셀 간 교차 캐리지는 측정 장치의 노이즈 수준 이하로 유지되어, 터널 구조에 의한 뛰어난 고립 성능을 입증했다.
• 조사 후 열처리로 누설 전류가 약 40배 감소했지만, 타이밍 해상도는 15–20% 악화되고 이득은 10–20% 감소했다.
• 베타 원천 측정 결과, 35×10¹⁴ neq cm⁻²로 조사된 장치의 타이밍 해상도는 50–65 ps로 나타나 실제 MIP 조건에서의 성능을 확인했다.