[논문 리뷰] Comparison of different sensor thicknesses and substrate materials for themonolithic small collection-electrode technology demonstrator CLICTD

K. Dort, R. Ballabriga외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 29인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 표준 에pi층 대신 고저항율 Czochralski(CZ) 실리콘 기판을 사용하는 소형 수집 전극 구조의 단일체 CMOS 센서를 평가한다. 30 µm 두께의 에피층을 100 µm 두께의 CZ 기판으로 대체함으로써 -16 V의 밸런스 조건에서 활성 센서 깊이가 두 배로 증가하여, 공간 해상도는 15% 향상되고, 시간 해상도는 14% 향상되며, 신호는 두 배로 증가하여 입자 추적 응용 분야에서 피크 검출 효율성과 성능이 크게 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소형 수집 전극을 갖춘 단일체 CMOS 센서에서 센서 두께와 기판 재질이 전하 수집에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• CLICTD 기술 시범 장치에서 표준 에피층과 고저항율 Czochralski(CZ) 실리콘 기판 간의 성능을 비교하기 위해.
• 기울인 입자 비임의 각도 기법과 기울인 입자 비임 기법을 사용하여 효과적인 활성 센서 깊이를 결정하기 위해.
• 두꺼운 CZ 기판을 사용할 경우 공간 해상도, 시간 해상도, 신호 진폭, 검출 효율성 향상 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• 배면 연마를 통해 40–300 µm 두께의 에피층에 기반한 CLICTD 센서를 제작하였다.
• 에피층이 없는 고저항율 Czochralski 실리콘 기판에 100 µm 두께의 센서를 제작하고 시험하였다.
• 수직 및 기울인 입사 각도에서 입자 비임을 사용하여 DESY의 테스트 비임 시설에서 비임 시험을 수행하였다.
• 전하 공유 특성과 클러스터 크기를 측정하여 활성 깊이와 공간 해상도를 추론하였다.
• 기울인 입사 각도 기법을 사용하여 전압에 따른 효과적인 활성 센서 깊이를 결정하였다.
• η보정을 적용하여 클러스터 크기 데이터에서 진짜 공간 해상도를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 센서 두께는 소형 수집 전극을 갖춘 단일체 CMOS 센서에서 전하 수집과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 에피층을 고저항율 Czochralski 실리콘 기판으로 대체할 경우 활성 센서 깊이와 신호 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기울인 입자 입사가 CLICTD 센서에서 전하 공유 및 공간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CZ 기반 센서에서 기판 펌프 전압을 사용할 경우 최대한의 활성 깊이와 신호 증폭은 얼마인가?
• RQ5 공간 해상도와 시간 해상도 향상 정도는 활성 깊이 증가와 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 에피층을 갖춘 CLICTD 센서의 활성 깊이는 약 30 µm로 제한되며, 이는 명시된 에피층 두께와 일치한다.
• -16 V 기판 펌프 조건에서 CZ 기반 센서의 활성 깊이는 65.4 ± 0.1 (통계적) +0.5/-0.7 (시스템적) µm에 도달하여, 에피층 센서보다 두 배 이상 높다.
• CZ 센서에서는 활성 부피 증가로 인해 신호 진폭이 두 배로 증가할 것으로 예상되며, 이는 4200–5200 e⁻에 도달할 것으로 예측된다.
• 40° 기울인 입사 각도에서 공간 해상도가 15% 향상되었으며, η보정 후 3.6 ± 0.2 µm의 해상도를 기록하였다.
• 시간 해상도는 14% 향상되었으며, 이는 더 높은 전하 수집에 기인한 더 높은 신호 대 잡음 비율과 관련이 있다.
• 프론트엔드 전자회로는 CZ 기판에서 유도된 더 큰 신호를 최적화하지 않아 전체 성능 잠재력이 제한되어 있다.