[논문 리뷰] Electric field measurement in heavily irradiated pixel sensors

A. Dorokhov, Y. Allkofer외 16명|arXiv (Cornell University)|2004. 12. 06.

CCD and CMOS Imaging Sensors인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 H2 비드 라인에서 얕은 각도의 비드를 사용하여, 깊이에 따른 루orentz 변위와 전자 이동도를 분석함으로써, 고도로 방사선에 노출된 실리콘 픽셀 센서 내 전기장 측정을 위한 새로운 방법을 제시한다. 이 기법은 비 irradiated 및 최대 1×10¹⁵ neq/cm² 방사선에 노출된 센서에서 측정 결과와 강한 일치를 보이며, 전하 수집 및 변위의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도로 방사선에 노출된 후 실리콘 픽셀 센서의 바닥부 전기장을 신뢰성 있게 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 방사선 손상으로 악화된 센서에서 전하 수집 및 루orentz 변위를 정확하게 시뮬레이션하는 데 도전하는 것.
• CERN에서의 비드 테스트 실험 데이터를 사용하여 전기장 추출 방법을 검증하는 것.
• 고광도 LHC 업그레이드에 관련된 고방사선 조건에서 센서 성능을 향상된 방식으로 시뮬레이션할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• CERN의 H2 비드 라인에서 얕은 각도의 비드를 사용하여 센서 내 전자에 대해 측정 가능한 루orentz 변위를 유도한다.
• 전기장 프로파일을 추론하기 위해 전자 이동 및 변위를 깊이의 함수로 측정한다.
• 이동도는 이동 시간과 변위 각도에서 추출되며, 전기장에 대한 제약 조건을 제공한다.
• 측정된 전기장을 전하 수집 및 루orentz 변위 시뮬레이션의 입력으로 사용한다.
• 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하여, 비 irradiated 및 방사선에 노출된 센서 전반에 걸쳐 방법의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 방사선에 노출된 실리콘 픽셀 센서의 바닥부 전기장을 어떻게 실험적으로 추출할 수 있는가?
• RQ2 방사선에 노출된 센서에서 전자의 루orentz 변위가 내부 전기장과 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ3 추출된 전기장은 비 irradiated 및 방사선에 노출된 센서 모두에서 전하 수집 및 변위를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 1×10¹⁵ neq/cm²까지 증가하는 방사선 손상에 따라 전기장 프로파일은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 루orentz 변위 및 전자 이동도 측정을 통해 센서 바닥부의 전기장 프로파일을 성공적으로 추출하였다.
• 측정된 전기장은 비 irradiated 및 방사선에 노출된 센서 모두에서 전하 수집 및 루orentz 변위의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 모든 테스트된 방사선 수준에서 시뮬레이션된 전하 수집 및 변위 결과가 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 방사선 유도 손상이 센서 특성을 크게 변화시키는 고선량 조건인 1×10¹⁵ neq/cm²에서도 이 방법은 효과를 유지하였다.