[論文レビュー] Gain suppression mechanism observed in Low Gain Avalanche Detectors

Esteban Currás Rivera, M. Fernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、荷電粒子またはレーザーパルスによる高イオン化密度が、増幅層内の電場スクリーニングによって引き起こされる、低利得アバランチ検出器（LGAD）における利得抑制メカニズムを特定している。この効果は逆バイアスが高く、電荷密度が高い状況で顕著に現れ、タイミング分解能に顕著な影響を及ぼし、正確な性能評価のためにはテスト条件の careful キャリブレーションが不可欠である。

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.

研究の動機と目的

• 荷電粒子およびレーザーパルスからのイオン化密度に伴うLGAD利得の依存性を調査すること。
• 高電荷付加条件下で観察された、以前報告のなかったLGADにおける利得抑制メカニズムの同定および特徴化すること。
• 利得測定値が実験条件、特にイオン化密度に顕著に依存することを示すこと。
• LGADの性能評価を正確に行うためには、試験条件を実運用環境に一致させる重要性を強調すること。
• 電荷密度が利得およびタイミング分解能に与える影響を定量的に評価することで、将来のセンサ設計および試験プロトコルの指針を示すこと。

提案手法

• 焦点を制御して電荷密度を調整可能な赤外レーザーパルスを用いた、50 µm 厚のLGADおよびPINの電荷収集および利得測定。
• 電荷密度を系統的に変化させるために、傾きを変更可能なSr-90ベータ線源の使用。
• 逆バイアス電圧および温度を変化させ、利得および収集電荷を比較することで、イオン化密度の影響を分離すること。
• レーザー照射時のz位置依存性の分析により、焦点を外した状態と比較して電荷収集および利得が低下することを相関させること。
• 電荷付加量から計算されるβ要因を基準として、利得抑制による偏差を定量化すること。
• 電流-電圧および容量-電圧曲線の電気的特性評価により、主要なデバイスパラメータを抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 付加された電荷のイオン化密度が、LGADにおける測定可能な利得にどのように影響するか？
• RQ2 同じ総電荷付加量であっても、レーザー試験と粒子ビーム試験の間で利得測定値が異なるのはなぜか？
• RQ3 高電荷密度下で観察された利得抑制の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 電荷付加条件が変化する中で、増幅層内の電場スクリーニングがインパルスイオン化プロセスにどのように影響するか？
• RQ5 利得抑制効果は逆バイアス電圧および温度にどの程度依存するか？

主な発見

• 高電荷密度によるイオン化密度の増加に伴い、LGADの利得が低下する。これは、増幅層内での電場スクリーニングに起因する。
• 焦点を絞ったレーザー実験では、焦点を外した場合と比較して、収集電荷および利得が顕著に減少しており、電荷密度依存性が確認された。
• Sr-90線源の傾きを変更することで、増幅層内の電荷密度を増加させたところ、β要因による予測値を上回る収集電荷が観測され、高密度下での利得抑制が示された。
• 利得抑制効果は、逆バイアス電圧が高い場合に最も顕著であり、このとき増幅層内の電場が強く、スクリーニングに対してより感受性を示す。
• PINセンサではこの効果が観察されないため、これはLGAD特有の増幅層メカニズムに起因することが確認された。
• これらの結果から、タイミング性能および利得評価が、入射粒子またはパルスのイオン化密度に極めて敏感であることが示され、レーザー試験と粒子ビーム試験の直接比較は補正なしでは無効であることが結論づけられた。