[논문 리뷰] Gain suppression mechanism observed in Low Gain Avalanche Detectors

Esteban Currás Rivera, M. Fernández외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 21.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 높은 이온화 밀도를 가진 입자나 레이저 펄스에 의해 발생하는 고역압력에서 저감도 앙피티브 디텍터(LGAD)의 이득 감소 메커니즘을 규명한다. 이는 이득층 내에서 전기장 스크리닝으로 인해 측정 가능한 이득이 감소하기 때문이다. 이 효과는 고역압력과 고전하 밀도 조건에서 가장 두드러지며, 타이밍 해상도에 심각한 영향을 미치며, 정확한 성능 평가를 위해 시험 조건을 신중히 校정할 필요가 있다.

ABSTRACT

Low Gain Avalanche Detectors(LGADs) is one of the candidate sensing technologies for future 4D-tracking applications and recently have been qualified to be used in the ATLAS and CMS timing detectors for the CERN High Luminosity Large Hadron Collider upgrade.LGADs can achieve an excellent timing performance by the presence of an internal gain that improves the signal-to-noise ratio leading to a better time resolution. These detectors are designed to exhibit a moderate gain with an increase of the reverse bias voltage. The value of the gain strongly depends on the temperature. Thus, these two values must be kept under control in the experiments to maintain the gain within the required values. A reduction in the reverse bias or an increase in the temperature will reduce the gain significantly. In this paper, a mechanism for gain suppression in LGADs is going to be presented. It was observed, that the gain measured in these devices depends on the charge density projected into the gain layer, generated by a laser or a charged particle in their bulk. Measurements performed with different detectors showed that ionizing processes that induce more charge density in the detector bulk lead to a decrease in the detector's measured gain. Measurements conducted with IR-laser and Sr-90 in the lab, modifying the charge density generated in the detector bulk, confirmed this mechanism and will be presented here.

연구 동기 및 목표

• 입자 및 레이저 펄스에서 기인한 이온화 밀도에 따른 LGAD 이득의 의존성 조사.
• 고전하 침착 조건에서 관측된 바 없던 이전에 보고되지 않은 LGAD 이득 감소 메커니즘의 규명 및 특성화.
• 이론적 조건에 따라 이득 측정치가 상당히 다름을 입증하며, 특히 이온화 밀도에 따라 변동함을 보여줌.
• 정확한 LGAD 성능 평가를 위해 시험 조건을 실제 운영 환경과 일치시킬 중요성 강조.
• 전하 밀도가 이득과 타이밍 해상도에 미치는 영향을 정량화하여 향후 센서 설계 및 시험 프로토콜 가이드라인 제공.

제안 방법

• 집중도를 조절하여 전하 밀도를 제어하는 인프라레드 레이저 펄스를 사용한 50 µm 두께의 LGAD 및 PIN에서의 전하 수확 및 이득 측정.
• 전하 밀도를 체계적으로 변화시키기 위해 기울임 각도를 조절한 Sr-90 베타원천의 사용.
• 다양한 역전압 및 온도 조건에서의 이득과 수확 전하를 비교하여 이온화 밀도의 영향을 분리.
• 레이저 조명 중 z-위치 의존성 분석을 통해 레이저 렌즈를 흐리게 하여 전하 수확 및 이득 감소와의 상관관계 규명.
• 전하 침착으로부터 계산된 β-팩터를 기준으로 하여 이득 감소로 인한 편차 정량화.
• 전류-전압 및 커패시턴스-전압 곡선을 포함한 LGAD 및 PIN의 전기적 특성 측정을 통해 핵심 장치 파라미터 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 침착된 전하의 이온화 밀도가 LGAD의 측정 가능한 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유사한 총 전하 침착 조건에도 불구하고 레이저 기반 및 입자빔 기반 테스트 간 이득 측정치가 다른 이유는 무엇인가?
• RQ3 고전하 밀도 조건에서 관측된 LGAD 이득 감소의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 다양한 전하 침착 조건에서 이득층 내 전기장 스크리닝이 영향을 미치는 영향 이온화 과정은 어떻게 되는가?
• RQ5 이득 감소 효과는 역전압 및 온도에 따라 어느 정도 의존하는가?

주요 결과

• 고전하 밀도로 인한 전기장 스크리닝으로 인해 LGAD 이득이 이온화 밀도 증가에 따라 감소한다.
• 집중된 레이저 빔을 사용한 실험에서, 레이저 렌즈를 흐리게 한 경우에 비해 전하 수확 및 이득이 상당히 감소하여 전하 밀도 의존성이 확인되었다.
• Sr-90 원천의 기울임으로 인해 이온화층 내 전하 밀도가 증가했고, β-팩터 예측치를 초월한 높은 전하 수확이 관측되어 고밀도 조건에서의 이득 감소가 확인되었다.
• 이득 감소 효과는 전기장 강도가 가장 높고 스크리닝에 더 민감한 고역압력 조건에서 가장 두드러진다.
• PIN 센서에서는 이 효과가 관측되지 않아, 이는 LGAD의 이득층 메커니즘에 특화된 현상임을 확인한다.
• 결과적으로 타이밍 성능 및 이득 평가가 입사 입자 또는 펄스의 이온화 밀도에 매우 민감하게 영향을 받으며, 보정 없이 레이저 및 입자 빔 테스트 간 직접 비교는 타당하지 않다.