[论文解读] 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 6

一句话总结

本文识别出在高电离密度的带电粒子或激光脉冲作用下，低增益雪崩二极管（LGAD）中存在一种增益抑制机制，该机制由增益层中的电场屏蔽引起，导致可测量增益降低。该效应在高反向偏置和高电荷密度条件下最为显著，严重影响时间分辨率，因此在性能评估中必须仔细校准测试条件。

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.

研究动机与目标

• 研究LGAD增益对带电粒子和激光脉冲产生的电离密度的依赖性。
• 识别并表征在高电荷沉积条件下此前未报道的LGAD增益抑制机制。
• 证明增益测量结果在不同实验条件下（尤其是电离密度）存在显著差异。
• 强调测试条件必须与实际工作环境匹配，以实现对LGAD性能的准确评估。
• 通过量化电荷密度对增益和时间分辨率的影响，为未来传感器设计和测试协议提供指导。

提出的方法

• 使用聚焦可调的红外激光脉冲，控制电荷密度，测量50 µm厚LGAD和PIN器件的电荷收集与增益特性。
• 利用Sr-90β源并改变其倾斜角度，系统性调节进入增益层的电荷密度。
• 通过比较不同反向偏置电压和温度下的增益与收集电荷，隔离电离密度的影响。
• 分析激光照射过程中z方向位置依赖性，将离焦效应与电荷收集和增益降低相关联。
• 使用β因子（基于电荷沉积计算）作为参考，量化因增益抑制导致的偏差。
• 对LGAD和PIN器件进行电学表征，包括电流-电压和电容-电压曲线，以提取关键器件参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 沉积电荷的电离密度如何影响LGAD中可测量增益？
• RQ2 尽管总电荷沉积相似，为何基于激光和基于粒子束的LGAD测试中增益测量结果存在差异？
• RQ3 LGAD在高电荷密度下观测到的增益抑制现象背后的物理机制是什么？
• RQ4 在不同电荷沉积条件下，增益层中的电场屏蔽如何影响碰撞电离过程？
• RQ5 增益抑制效应在多大程度上依赖于反向偏置电压和温度？

主要发现

• 当增益层中电离密度升高时，LGAD的增益受到抑制，其原因在于高电荷密度引起的电场屏蔽。
• 聚焦激光束实验显示，与离焦激光束相比，收集电荷和增益显著降低，证实了其对电荷密度的依赖性。
• 倾斜Sr-90源使增益层中电荷密度升高，导致收集电荷高于β因子预测值，表明在高密度下存在增益抑制。
• 该增益抑制效应在高反向偏置电压下最为显著，此时增益层中电场最强，也最易受到屏蔽影响。
• 该效应在PIN传感器中未被观测到，证实其为LGAD增益层机制特有。
• 结果表明，时间性能和增益评估对入射粒子或脉冲的电离密度高度敏感，因此在未校正的情况下，直接比较激光与粒子束测试结果是无效的。