[논문 리뷰] Potential for Improved Time Resolution Using Very Thin Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs)

A. Seiden, Hang Ren외 15명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 07.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두께가 매우 얇은(20–50 μm) 초고속 실리콘 검출기(UFSD)에 증폭층을 도입함으로써 10–15 ps의 시간 해상도를 달성할 수 있음을 보여주며, 기존의 50 μm UFSD보다 크게 향상된 성능을 확보한다. 이 개선은 더 얇은 센서에서 전자의 포화된 이동 속도와 높은 신호 대 잡음비 덕분이며, 고정밀 입자 검출에 필수적인 20 ps 이내의 시간 성능을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs) are n-in-p silicon detectors that implement moderate gain (typically 5 to 25) using a thin highly doped p++ layer between the high resistivity p-bulk and the junction of the sensor. The presence of gain allows excellent time measurement for impinging minimum ionizing charged particles. An important design consideration is the sensor thickness, which has a strong impact on the achievable time resolution. We present the result of measurements for LGADs of thickness between 20 micro-m and 50 micro-m. The data are fit to a formula that captures the impact of both electronic jitter and Landau fluctuations on the time resolution. The data illustrate the importance of having a saturated electron drift velocity and a large signal-to-noise in order to achieve good time resolution. Sensors of 20 micro-m thickness offer the potential of 10 to 15 ps time resolution per measurement, a significant improvement over the value for the 50 micro-m sensors that have been typically used to date.

연구 동기 및 목표

• 초고속 실리콘 검출기(UFSD)에서 센서 두께가 시간 해상도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 더 얇은 UFSD가 표준 50 μm 센서보다 뛰어난 시간 해상도를 달성할 수 있는지 확인하는 것.
• 전자 잡음과 랑도 불확실성의 기여도를 양적 평가하여 얇은 UFSD에서의 시간 해상도에 영향을 미치는 요인을 규명하는 것.
• 포화된 전자 이동 속도와 높은 신호 대 잡음비가 20 ps 이내의 시간 성능을 가능하게 하는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 고저항성 p-바디와 접합 사이에 얇고 고도로 도핑된 p++ 증폭층을 갖춘 n-in-p 실리콘 검출기를 사용하여 측정을 수행하였다.
• 20 μm에서 50 μm 범위의 두께를 가진 센서를 최소 이온화 입자에 노출시켜 시험하였다.
• 측정된 펄스 형상을 전자 잡음과 랑도 불확실성을 조합한 모델에 맞추어 시간 해상도를 추출하였다.
• 시간 해상도에 대한 확률적(랑도) 및 전자 잡음 기여도를 고려한 공식을 분석에 사용하였다.
• 이동 속도 포화와 신호 세기의 영향을 시간 성능에 미치는 영향을 분리하여 분석하였다.
• 증폭층 설계와 전자 읽기 조건 조절을 통해 신호 대 잡음비를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 μm 이하 두께의 초고속 실리콘 검출기가 표준 센서에 비해 뚜렷이 향상된 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 얇은 UFSD에서 랑도 불확실성과 전자 잡음은 시간 해상도에 어떻게 함께 영향을 미치는가?
• RQ3 얇은 센서에서 전자 이동 속도의 포화가 시간 해상도 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 UFSD에서 20 ps 이내의 시간 해상도를 달성하기 위한 최적의 센서 두께는 무엇인가?
• RQ5 신호 대 잡음비는 얇은 UFSD에서 달성 가능한 시간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 20 μm 두께의 센서는 10–15 ps의 시간 해상도를 나타내었으며, 이는 50 μm 센서에 비해 뚜렷한 향상이다.
• 시간 해상도 향상의 주요 원인은 더 얇은 센서에서 발생하는 전자의 포화된 이동 속도이다.
• 20 ps 이내의 시간 성능을 달성하기 위해 높은 신호 대 잡음비가 필수적임을 확인하였다.
• 랑도 불확실성과 전자 잡음은 모두 시간 해상도 한계의 주요 기여 요소로 규명되었다.
• 데이터는 더 얇은 센서가 전하 수집의 시간 분포를 감소시켜 시간 정밀도를 향상시킴을 확인하였다.
• 이 결과는 이동 속도가 포화될 경우 센서 두께를 줄임으로써 시간 해상도가 향상된다는 이론적 예측을 확인하였다.