[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究表征了新型沟槽隔离的LGAD（TI-LGAD）像素探测器在中子注量高达35×10¹⁴ neq cm⁻²辐照前后的空间分辨率与时间分辨率。TI-LGAD设计通过蚀刻硅沟槽实现像素隔离，减少死区并提高填充因子。主要结果表明，辐照前空间分辨率优于30 µm，时间分辨率约为5 ps，辐照后退化至约20 ps，且串扰极低，各类设计下性能稳定。

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.

研究动机与目标

• 评估新型沟槽隔离LGAD（TI-LGAD）像素探测器的空间与时间分辨率。
• 评估TI-LGAD器件在中子注量高达35×10¹⁴ neq cm⁻²条件下的抗辐射能力。
• 识别适用于高分辨率4D像素应用的最佳设计参数（接触类型、沟槽数量、深度、像素边界）。
• 研究退火处理对辐照后TI-LGAD电气性能的影响。

提出的方法

• 采用扫描瞬态电流技术（TCT）装置，使用波长1064 nm、光斑半径约9 µm的红外激光进行空间与时间分辨率测量。
• 将激光脉冲分为两条路径，延迟100 ns，通过恒幅甄别器（CFD）分析实现时间分辨率测量。
• 采用⁹⁰Srβ源装置，在模拟真实高能物理探测器环境的条件下测量时间分辨率。
• 器件在JSI反应堆中接受中子辐照，注量分别为15、25和35×10¹⁴ neq cm⁻²。
• 像素间距定义为在相邻像素中收集50%最大电荷的两点之间的距离。
• 所有测量在-20 °C下进行，以稳定热条件并降低噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同设计参数下，TI-LGAD器件在辐照前后的空间分辨率如何？
• RQ2 TI-LGAD的时间分辨率如何随偏置电压和设计参数变化，辐照前后有何差异？
• RQ3 在高辐射环境下，沟槽隔离在多大程度上减少了像素间的串扰？
• RQ4 辐照后退火处理如何影响TI-LGAD的电气性能，包括增益、时间分辨率与漏电流？
• RQ5 TI-LGAD在暴露于最小电离粒子（MIPs）时的时间分辨率如何？该结果通过⁹⁰Srβ源测量获得。

主要发现

• 辐照前，所有TI-LGAD器件在200 V偏置电压下均实现约5 ps的时间分辨率，与设计图案无关。
• 辐照后，所有器件在最高600 V偏置电压下时间分辨率退化至约20 ps，且未表现出与设计参数的系统性依赖关系。
• 像素间距对设计参数最为敏感，最优配置为：一个沟槽、深沟槽深度（D3）、像素边界V2，以及环形接触结构。
• 所有情况下像素间串扰均低于测量系统的噪声底限，表明沟槽结构提供了优异的隔离性能。
• 辐照后退火处理使漏电流降低约40倍，但时间分辨率恶化15–20%，增益降低10–20%。
• β源测量结果显示，经35×10¹⁴ neq cm⁻²辐照的器件时间分辨率在50–65 ps之间，证实其在真实MIP条件下的性能表现。