[论文解读] Comparison of different sensor thicknesses and substrate materials for themonolithic small collection-electrode technology demonstrator CLICTD

K. Dort, R. Ballabriga+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 29被引用 2

一句话总结

本文评估了采用高电阻率Czochralski（CZ）硅外延层的单片CMOS传感器，作为标准外延层的替代方案。通过用100 µm厚的CZ衬底替代30 µm的外延层，传感器在-16 V偏置下的有效感光深度增加了一倍，空间分辨率提升15%，时间分辨率提升14%，信号幅度翻倍，显著提升了粒子跟踪应用中的触发检测效率与整体性能。

ABSTRACT

Small collection-electrode monolithic CMOS sensors profit from a high signal-to-noise ratio and a small power consumption, but have a limited active sensor volume due to the fabrication process based on thin high-resistivity epitaxial layers. In this paper, the active sensor depth is investigated in the monolithic small collection-electrode technology demonstrator CLICTD. Charged particle beams are used to study the charge-collection properties and the performance of devices with different thicknesses both for perpendicular and inclined particle incidence. In CMOS sensors with a high-resistivity Czochralski substrate, the depth of the sensitive volume is found to increase by a factor two in comparison with standard epitaxial material and leads to significant improvements in the hit-detection efficiency and the spatial and time resolution.

研究动机与目标

• 研究传感器厚度与衬底材料对单片小收集电极CMOS传感器中电荷收集的影响。
• 对比CLICTD技术演示器中标准外延层与高电阻率Czochralski（CZ）硅衬底的性能表现。
• 利用掠入射角与倾斜粒子束技术确定有效感光深度。
• 评估使用更厚CZ衬底后，空间与时间分辨率、信号幅度及探测效率的改进情况。

提出的方法

• 通过背面研磨工艺，在外延层上制备了厚度为40–300 µm的CLICTD传感器。
• 在无外延层的高电阻率Czochralski硅衬底上制备并测试了100 µm厚的传感器。
• 在DESY测试束流设施使用垂直与倾斜入射角的带电粒子束进行束流测试。
• 通过测量电荷共享特性与簇集尺寸，推断有效感光深度与空间分辨率。
• 采用掠入射角技术，测定有效感光深度随偏置电压的变化关系。
• 应用η校正方法，从簇集尺寸数据中提取真实空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 传感器厚度如何影响小收集电极单片CMOS传感器中的电荷收集与性能表现？
• RQ2 用高电阻率Czochralski硅衬底替代外延层，对有效感光深度与信号幅度有何影响？
• RQ3 倾斜粒子入射如何影响CLICTD传感器中的电荷共享与空间分辨率？
• RQ4 在CZ基传感器中，通过衬底偏置技术可实现的最大有效感光深度与信号增益是多少？
• RQ5 空间与时间分辨率的提升程度在多大程度上与有效感光深度的增加相关？

主要发现

• 采用外延层的CLICTD传感器的有效感光深度受限于约30 µm，与外延层标称厚度一致。
• 在-16 V衬底偏置下，Czochralski基传感器的有效感光深度达到65.4 ± 0.1（统计）+0.5/-0.7（系统）µm，超过外延层传感器的两倍以上。
• 由于有效感光体积增加，Czochralski传感器的信号幅度预计可翻倍，达到4200–5200 e⁻。
• 在40°入射角下，空间分辨率实现15%的提升（η校正后为3.6 ± 0.2 µm）。
• 时间分辨率测量到14%的提升，归因于电荷收集增加带来的更高信噪比。
• 前端电子学未针对CZ衬底产生的更大信号进行优化，限制了性能潜力的完全发挥。