[論文レビュー] Characterization of timing and spacial resolution of novel TI-LGAD structures before and after irradiation

M. Senger, Ashish Bisht+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、中性子線量が35×10¹⁴ neq cm⁻²に達するまで中性子線照射前後における新規溝隔離型LGAD（TI-LGAD）ピクセル検出器の空間分解能および時間分解能を特徴づけた。TI-LGAD構造は、エッチングされたシリコンの溝を用いてピクセルを分離し、デッドエリアを低減し、フィルファクターを向上させる。主な結果として、照射前は空間分解能が30 µm未塔、時間分解能が約5 psであり、照射後は約20 psに低下したが、クロストークは最小限に抑えられ、設計にかかわらず安定した性能を示した。

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.

研究の動機と目的

• 新規溝隔離型LGAD（TI-LGAD）ピクセル検出器の空間分解能および時間分解能を評価すること。
• 中性子線量が35×10¹⁴ neq cm⁻²に達するまでのTI-LGADデバイスの放射線耐性を評価すること。
• 高分解能4Dピクセル応用に最適な設計パrameter（コンタクトタイプ、溝数、深さ、ピクセル境界）を特定すること。
• アニーリング処理が照射後の電気的性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• 空間分解能および時間分解能の測定には、赤外線レーザー（1064 nm、σ ≈9 µm）を用いた走査型一時電流測定（TCT）装置を用いた。
• レーザーパルスを100 nsの遅延をもって二つの経路に分岐させ、一定分率ディスクリミネータ（CFD）解析により時間分解能を測定した。
• 実際のヒッグズ粒子物理学実験用検出器環境を模倣した条件下で、時間分解能を測定するために90Srベータ線源を用いた。
• デバイスはJSIの原子炉で中性子線を照射し、線量は15、25、35×10¹⁴ neq cm⁻²とした。
• ピクセル間隔は、隣接するピクセルで最大電荷の50%が収集される点間の距離として定義された。
• 測定は-20 °Cで実施し、熱的安定性を確保するとともにノイズを低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 照射前後における異なる設計パrameterのTI-LGADデバイスの空間分解能は何か？
• RQ2 照射前後におけるバイアス電圧および設計パrameterの変化に伴い、TI-LGADの時間分解能はどのように変化するか？
• RQ3 高放射線環境下において、溝隔離構造がピクセル間クロストークをどの程度低減するか？
• RQ4 照射後のアニーリング処理が、TI-LGADの電気的性能（増幅率、時間分解能、リーク電流）に与える影響は何か？
• RQ5 最小イオン化粒子（MIP）にさらされた状態でのTI-LGADの時間分解能は何か？ベータ線源測定により評価した。

主な発見

• 照射前は、すべてのTI-LGADデバイスが200 Vで約5 psの時間分解能を達成しており、設計パターンに依存しなかった。
• 照射後は、600 Vまでのバイアス電圧において、すべてのデバイスで時間分解能が約20 psに低下し、設計パrameterに系統的な依存性は認められなかった。
• ピクセル間隔は設計パrameterに最も敏感であり、最適な構成は1本の溝、深めの溝深さ（D3）、ピクセル境界V2、リングコンタクトタイプであった。
• すべてのケースにおいてピクセル間クロストークは測定装置のノイズフロア以下に保たれ、溝構造による優れた分離が確認された。
• 照射後のアニーリング処理によりリーク電流は約40倍低減したが、時間分解能は15–20%悪化し、増幅率は10–20%低下した。
• ベータ線源測定では、35×10¹⁴ neq cm⁻²で照射したデバイスの時間分解能は50–65 psであった。これはMIP条件下での性能を確認するものであった。