新型LGAD検出器(AC-LGAD)の放射線耐性の研究
筑波大学大学院 素粒子実験研究室
博士前期課程 2年
植田 樹

2022/3/23

TCHoU workshop

1

LGAD検出器
将来の高輝度加速器実験(FCCなど)

将来の大型加速器実験の高輝度化→内部飛跡検出器のアップグレードが必要
時間情報なし時間情報あり30 psの時間差 ≒ 光速粒子の1 cm？
※パイルアップの除去※粒子識別が可能

高時間分解能＆高位置分解能を併せ持つ飛跡検出器が必要

Al

Low Gain Avalanche Diode 検出器• N + -in-P型半導体検出器+内部増幅機能• 増幅層での局所的な雪崩増幅• 高い時間分解能(~30ps)を持つ検出器

高電場n+ 𝒆𝒆−p++
荷電粒子

2022/3/23

TCHoU workshop

𝒉𝒉SiO2p+bulk2

新型LGAD検出器(AC-LGAD)
荷電粒子e−

P ++ /N+ 層を一面にドープ最適化の条件振り
1. n+ のドープ濃度

2. p++ ドープ濃度

不感領域

3. 酸化膜厚(接続容量Ccp)

h

Pad型

−e500umh

酸化膜を挟んでAC-Al電極を作成

荷電粒子

P++ 不純物濃度

不感領域がないC2-a/b

E-b

B-3

A-3

B-2

A-2

80 μm ピッチ
電極16本×3区画

10 mm

B-1
N+ 不純物濃度2022/3/23

Strip型
Al電極

D-a/b
C-1

500 μm角の電極が2×2で配置

Poly-Si電極

試作サンプルの条件振り※𝑎𝑎：𝑏𝑏 接続容量(1: 1.5)

500um

TCHoU workshop• 電流電圧(IV)特性• 信号波高• クロストークを評価
3

IV特性Al

Poly-Si

A

IV特性 温度依存性 B-3タイプ

SiO2DC電極 AC電極

n++

n++

n+p++

n++

n++

p+

Pad型 Bタイプ IV特性 (20℃)
ゲイン電圧と温度の関係

雪崩増幅

Pad/B-3降伏電圧(ゲイン電圧)

𝑝𝑝++ 濃度が大きいほど降伏電圧は低い

2022/3/23

TCHoU workshop

10℃増加→10.2 ± 0.2V増加
4信号測定
β線源( 90𝑆𝑆𝑆𝑆)を用いた信号読み出し実験

シンチレータ セットアップLV

恒温槽 (0℃)
LGADセンサー

アンプボードHV

線源( 90𝑆𝑆𝑆𝑆)

PC

アンプボードMPPC

デジタル化基板

トリガー デジタイザー(FlashADC)

β線
LV

HV

5GS/s 10bit
12bit ADC
1V full range

16ch同時読み出し

strip型センサー

波形

baseline

1 3 5 7 9 11 13 15
2 4 6 8 10 12 14 16

波高(pulse height)

peak value – baseline

Pad型:信号の大きさの評価
Strip型：16ｃｈ同時に読み出し
信号の大きさ(波高)とクロストーク評価

peak2022/3/23

TCHoU workshop

5信号の波高とクロストーク
信号波高信号の大きさを比較する

波高分布

n+濃度が小さいほど(C＞E)
信号は大きくなるC-2-a 183V

E-b 170V
log scale

ノイズ分布

E-b 170V

ノイズ(ガウス分布)
信号:
ランダウ分布+ガウス分布

linear scale
信号分布
MPV＝信号波高E-b

クロストーク

横軸：最大波高の電極からの距離
縦軸：波高比(各電極の波高÷信号)の2次元プロットを作成し

𝑦𝑦 = 𝐴𝐴 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 −𝑥𝑥τ𝑥𝑥+ 𝐵𝐵τ+ 𝐵𝐵で Fitting

τ: クロストーク距離として値を比較(波高が1/eになった時の距離)2022/3/23

𝑦𝑦 = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 −クロストーク距離𝜏𝜏[strip]

E-b

C-2-a1.20±0.01

2.17±0.01

𝑛𝑛+ 濃度が小さい(高抵抗)ほどクロストークが小さくなる
TCHoU workshop

6放射線耐性
LGAD検出器における放射線損傷の種類
TID

アクセプタ・リムーバル

表面損傷

NIEL

バルク損傷

ガンマ線照射サンプル
TID(Total Ionizing Dose)
酸化膜とn+層の間に固定正電荷(トラッピング準位)が発生
AC elec.
Al SiO

アクセプタ・リムーバル
p型不純物濃度が減少
DC ring

2+ +n++

p+bulk2022/3/16++ + + + +np+++n++NIEL(Non-Ionizing Energy Loss)
バルクの結晶格子の破壊
p型不純物が増える
Sample Slot

物理学会年次大会

陽子線照射サンプル
𝑝𝑝++ 濃度依存性

初期目標
 陽子線照射量
NIEL : Ο(1015 ) neq ⁄cm2
 ガンマ線照射量
TID : 1 MGy
2種類の照射後サンプルを用いて、放射線耐性の評価を行う
7

陽子線照射実験
70MeV陽子ビーム@CYRIC(東北大)IV測定結果照射量依存性

Pad/B-3/−20℃• 暗電流の増加• ゲイン電圧が照射によって大きく増加
1 × 1014 neq ⁄cm2

5 × 1014 neq ⁄cm2

照射量
 1 × 1014 neq ⁄cm2
 5 × 1014 neq ⁄cm2

B-1，B-2，B-3タイプのIV特性
B-3タイプ
信号の大きさの評価

ゲイン電圧の増加量は𝑝𝑝++濃度を変えても同じ耐圧の限界により、より低電圧で動作できる方が良い

クロストーク評価(B-3，C-2)
2022/3/23

TCHoU workshop8

陽子線照射 信号波高測定
B-3タイプのPad型センサー
陽子線照射量 1 × 1014 , 5 × 1014 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒 /𝑐𝑐𝑐𝑐2

未照射サンプルは20℃で測定し，−20℃での推定値を算出した

信号波高の照射量依存性

未照射(-20℃相当)

実照射量とゲイン電圧20℃の結果をもとに− 40℃ ≒ 40V分補正して推定した

1e14(-20℃)

1014増加ごとに93.57±0.03 V 増加

5e14(-20℃)
93.57𝑥𝑥 + 64.38

未照射(20℃)•••
照射後も未照射と同じ波高の信号を得られる
ゲインを得るために必要な電圧(ゲイン電圧)は陽子線照射量によって大幅に増加
2022/3/23

TCHoU workshop

目標(1 × 1015 ) では
1000.1 V±0.3 Vとなることが予想できる

陽子線照射量に対して線形に増加
今回の試作サンプルの耐圧の限界を700 Vと仮定
→ 𝑂𝑂(1015 )の達成は困難である．
9陽子線照射 クロストーク測定
ドープ濃度条件

B-3 / 未照射C-2 / 未照射B-3 / 5 × 1014

14C-2 / 5 × 10

低𝑝𝑝++
濃度

低高𝑛𝑛+ 抵抗
中高

B-1C-1A-2B-2C-2A-3B-3

照射量[𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒 ⁄𝑐𝑐𝑐𝑐2 ]クロストーク距離𝜏𝜏[strip]

B-3

C-2

未照射

5.51±0.25

2.17±0.01

5 × 1014

4.29±0.07

2.12±0.02

クロストーク距離は小さくなる
B-3タイプは未照射の80％程度まで減少
C-2タイプはわずかに減少

2022/3/23

TCHoU workshop

10ガンマ線照射実験• 60𝐶𝐶𝐶𝐶 ガンマ線照射施設(高崎量子研究所)

照射室

𝐼𝐼𝐼𝐼測定結果(E-b タイプ)

100kGy,0℃

未照射,0℃

サンプル

1MGy,0℃

𝛾𝛾

• 照射量
••

• １ MGｙで暗電流が増加• ゲイン電圧が18 V大きくなる

1 MGy
100 kGy• ベータ線信号測定
Strip型センサーを用いて測定
80um pitch
16 channel

ゲイン電圧

未照射

132 ± 1 V

100 kGy
1 MGy

E-bタイプ
2022/3/23

照射量

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132 ± 1 V

150 ± 1 V11ガンマ線照射 信号波高測定
上位2ｃｈの波高分布の合計

波高分布の照射量依存性

max 𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎+ 2𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎

2peak

最大波高+
2番目に大きい波高
Higher Peak

Lower Peak
電極間を通過したときの信号と仮定

𝑉𝑉4 < 𝑉𝑉3 < 𝑉𝑉2 = 𝑉𝑉1
𝑉𝑉4 𝑉𝑉3

SiO2n+p++𝑒𝑒 − 𝑒𝑒 −

𝑉𝑉1

𝑉𝑉2

𝑒𝑒 −

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𝛽𝛽𝛽𝛽

未照射

35.28 ± 0.07 mV

1 MGy

𝑒𝑒 −𝛽𝛽Signal MPV

100 kGy

39.59 ± 0.06 mV
41.87 ± 0.08 mV• 1MGyでの信号測定は可能

p+bulk𝛽𝛽

照射量• 照射量が増加するほど、• 信号波高が増加
TCHoU workshop

12ガンマ線照射 クロストーク測定
E-b 100 kGy( 0℃ , 150 V)

E-b 未照射( 0℃ , 150 V)

𝜏𝜏 = 1. 20𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 ~ 96.0 μm

𝜏𝜏 = 0. 87𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 ~ 69.6 μm

 クロストークが1/4まで減少

界面に電子がトラップされる

固定正電荷Ccp

Ccp

Ccp+ + + ++++ + ++ + ++ + + + + ++ ++

𝑒𝑒 −

Cbulk

𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

Al electrodeOxide+np++
信号
クロストーク2022/3/23

TCHoU workshop

E-b 1 MGy
( 0℃ , 150 V)

𝜏𝜏 = 0.29𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 ~ 23.2 μm

照射後𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐′′𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖(> 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [照射前])

信号電子がトラップ→疑似的に𝑛𝑛+ 抵抗が増加→クロストークが減少→信号が増加13まとめ• 将来の加速器実験に向けた新型検出器の開発• 高い時間分解能を持つLGAD検出器• 新型のAC-LGADの放射線耐性を調べた

陽子線照射サンプル

ガンマ線照射サンプル

 5 × 1014 neq ⁄cm2 で測定可能• 信号の波高は照射後も同程度発生• クロストークは5~20%減少

1 MGyでの動作は可能→初期目標の達成• ゲイン電圧が照射量に比例して大きく増加→1014 neq ⁄cm2 増加で93 V増加

信号の波高が増加する(35 mV → 41 mV)
クロストークが未照射の1/4倍まで減少

𝑂𝑂(1015 ) neq⁄cm2 で1000 Vを超える耐圧の限界により、今回の試作サンプルでは困難であると推定

IV特性
ゲイン電圧が1 MGｙで18 Ｖ増加

表面電荷によって信号電子がトラップ→疑似的に𝑛𝑛+ 層側の抵抗率が増加

陽子線照射に対する放射線耐性の向上が必要→ゲイン電圧の増加を抑える改良→センサー耐圧の限界を高める
2022/3/23

TCHoU workshop

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