新型LGAD飛跡検出器(ACLGAD)の細密化と放射線耐性に関する研究
筑波大学 修士1年
植田 樹
北彩友海, 原和彦, 中村浩二^A^, 鈴木尚紀
筑波大学, 高エ研^A^

2021/3/30

TCHoUワークショップ

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LGAD検出器
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HL-LHC MCシミュレーション(200 pile up)

時間情報あり将来の高輝度加速器実験(FCCなど)？
より精密な粒子の飛跡再構成が可能に高時間分解能＆高位置分解能を併せ持つ飛跡検出器が必要

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→高い増幅率 高電場• 高い時間分解能(~30ps)を持つ検出器

Aln+ 𝒆𝒆−p++
荷電粒子

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𝒉𝒉SiO2p+bulk2

モチベーション(放射線耐性)
HL-LHC5倍

FCC• 積分ルミノシティ (4000 fb−1 )• NIEL :バルク損傷• 3層目(𝑟𝑟 = 16cm): 2.8 × 1015 neq ⁄cm2
• 最内層(𝑟𝑟 = 4cm) : 2.6 × 1016 neq ⁄cm2

• 積分ルミノシティ(20000 fb−1)• NIEL :バルク損傷• 3層目(𝑟𝑟 = 16cm): 1.4 × 1016 neq ⁄cm2
• 最内層(𝑟𝑟 = 4cm) : 1.3 × 1017 neq ⁄cm2

積分ルミノシティ(4)• TID：表面損傷 19.8 MGry (𝑟𝑟 = 4 cm)• TID：表面損傷 ~99 MGry (𝑟𝑟 = 4 cm)

積分ルミノシティ
HL-LHC×5倍※ 𝑟𝑟 = 16 cmでの実装 & 10000 fb−1 到達時に入れ替え→ 0.7 × 1016 neq ⁄cm2
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LGADセンサー放射線耐性の目標値：𝑂𝑂(1016 )TCHoUワークショップ

3AC-LGAD
Pad 型 (2x2 500umx500um)e−P++ /N + 層を一面にドープ荷電粒子

不感領域が小さくなる.
クロストークが懸念.

he−

不感領域

h荷電粒子

Strip 型 (80um pitch)
酸化膜を挟んでAC-Al電極を作成• 最適化の際に必要なパラメーター
1. n+ のドープ濃度 → 抵抗値(クロストークの大きさに影響)

2. p++ ドープ濃度 → 放射線耐性

3. 電極の大きさ/電極数 → 位置分解能 ⇔ 信号の大きさ

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電極数＆電極サイズ
信号の大きさに影響
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センサー最適化
ドープ濃度条件

P++ Dope

𝑝𝑝++ 濃度 高𝑛𝑛+ 抵抗値
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B-3

A-3

C-2

B-2

A-2

C-1

B-1

𝑝𝑝++ 濃度 低𝑛𝑛+ 抵抗
クロストークに影響
𝑝𝑝++ 濃度
放射線耐性に影響N+ Dope

従来のDC-LGAD

10倍
3.3倍

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信号の読み出しモデル
 信号の大きさを理解するために信号が読み出されていくモデルを仮定
 信号の大きさは2つのインピーダンス比で決定：𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 と𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐

接続容量 (𝐂𝐂𝐜𝐜𝐜𝐜 ) 電極の大きさ
 酸化膜厚𝑸𝑸 =n+抵抗 (𝐑𝐑 𝐢𝐢𝐢𝐢𝐢𝐢 ) n+ 不純物濃度

𝒁𝒁𝑹𝑹𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 + 𝒁𝒁𝑪𝑪𝒄𝒄𝒄𝒄

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𝑸𝑸𝟎𝟎

𝑄𝑄：読み出される電荷
𝑄𝑄0 ：読み出される前の電荷
𝑍𝑍𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ： 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 のインピーダンス
𝑍𝑍𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐 ： Ccp のインピーダンス

1. 信号サイズ大：𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐 大きく、𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 大きくする
2. クロストーク小： 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 大きくする① 電極の細密化(𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐 小)：信号が小さくなる② 𝑛𝑛+ 抵抗値を大きくする(A→Cタイプ)：クロストークが小さく2021/3/30

𝒁𝒁𝑹𝑹𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊

実測定で確認6

セットアップ
ベータ線照射実験

アンプボードベータ線の読み出し信号の測定実験
信号サイズの比較：Pad型,Strip型センサー

Pad sensor

LV

β線 90𝑆𝑆𝑆𝑆

5GS/s 10bit
12bit ADC
2V full range

Strip sensor

scintillator

信号orノイズのピーク値→波高として設定
波高分布を作り比較する
波高(pulse height): max voltage – baseline
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信号の大きさ測定• Stripセンサー電極幅ごとの比較• Pad型センサーとStrip型センサーの比較(ドープ量C2タイプ：抵抗高)

Strip電極幅と信号の大きさの関係

波高分布 Pad型センサー

MPV 60mV
信号サイズ小電極の細密化

電極サイズ小信号の大きさ1/3

波高分布 Strip型センサー

電極の細密化により信号の大きさは小さくなる

MPV 21mV

 より電極を細密化しても信号が確認できるよう、信号を大きくする工夫が必要
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8照射済みセンサーについて
TID

表面損傷

NIEL

バルク損傷

アクセプタ・リムーバル
放射線ダメージにより増幅層のp++ 濃度が減少する現象

Pad sensor(2x2,500 um x 500 um)

照射量
1 × 1014 neq ⁄cm2

AC-LGAD初の照射済みサンプルを用いて、• 照射ダメージによる性能の低下• 増幅層(p++ )の濃度による性能の変化などを理解する

1 × 1015 neq ⁄cm2

ドープ濃度条件
Sample Slot

• 70MeVの陽子線照射実験～1000nA

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低𝑝𝑝++
濃度

𝑷𝑷+ Beam Line Sample Slot

• 東北大学RIセンター(CYRIC)

5 × 1014 neq ⁄cm2

低高高C-1

A-2

B-2

C-2

A-3

B-3

未照射,1e14, 5e14 neq ⁄cm2
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𝑛𝑛+ 抵抗中B-1

照射量依存性B-3

5 × 1015 neq ⁄cm2p++ 濃度依存性

1 × 1014 neq ⁄cm2
B-1,B-2,B-3
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照射サンプル評価
IV測定
バイアス電圧を変化させ、暗電流を測定• 未照射サンプルからの変化• p++ 濃度の違うセンサーでの変化

ベータ線照射実験
ベータ線の読み出し信号の測定実験
信号サイズ、クロストーク：Pad型,Strip型センサー
照射サンプル：信号サイズの大きさの変化

セットアップセットアップ
5GS/s 10bit
12bit ADC
2V full range

LV

アンプボードPad sensor

β線 90𝑆𝑆𝑆𝑆

IV(未照射サンプル)

scintillator

信号orノイズのピーク値→波高として設定
波高分布を作り比較する
雪崩増幅
2021/3/30

波高(pulse height): max voltage – baseline
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10照射量依存性

動作電圧

IV測定結果

雪崩増幅により、最も増幅が得られる電圧

IV特性

未照射

1 × 1014 neq ⁄cm2

• 動作電圧が照射によって大きく増加する• 暗電流の増加→ NIELによる照射ダメージ• 雪崩増幅による増加がなだらかに→ 増幅機能の低下(アクセプタ・リムーバル)

ベータ線照射実験
SignalMPV

1 × 1014 neq ⁄cm2

未照射

波高分布

B-3/190V※降伏電圧が低く、十分な増幅が得られていない

高ゲイン

高ゲイン

高ノイズ

高ノイズ

5 × 1014 neq ⁄cm2

5 × 1014 neq ⁄cm2

高ノイズ

高ゲイン
ペデスタル
MPV

Signal MPV
未照射

0.035±0.002V

1 × 1014 neq ⁄cm2 0.039±0.001V

5 × 1014 neq ⁄cm2 0.030±0.002V
2021/3/30•••

5 × 1014 neq ⁄cm2 (B-3)までは信号の観測が可能
照射ダメージで動作電圧(高ゲイン電圧)が増加
照射ダメージにより信号サイズは小さくなる
5 × 1014 neq ⁄cm2 ~75% × 1 × 1014 neq ⁄cm2

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p++ 濃度依存性

IV測定

動作電圧
雪崩増幅により、最も増幅が得られる電圧

B-3(p++濃度高)IV測定で増加率が最大となる電圧
1 × 1014 neq ⁄cm2

未照射

照射前後の変化63V

B-2(p++濃度中)
1 × 1014 neq ⁄cm2

未照射

• 暗電流の増加• 動作電圧が増加する• 雪崩増幅による増加がなだらかに→ p++ 濃度に依らず共通
p++ 濃度依存性

62V• 動作電圧の増加量が一定(約65V)

B-1(p++濃度低)• p++ 濃度が高いほど低い動作電圧で増幅可能

1 × 1014 neq ⁄cm2

センサー耐圧＜700V
動作電圧が低電圧であるほど有利

未照射
66V
2021/3/30

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p++ 濃度依存性

ベータ線照射実験

1 × 1014 neq ⁄cm2++pB-1低B-2B-2 (p++ 中)

B-3 (p++ 高)

0.055 ± 0.001 V

0.050 ± 0.001 V

0.039 ± 0.001 V

動作電圧

390 V

290 V

180 V

385V

290V

180V

2021/3/30

B-3

高ノイズ

Signal MPV

動作電圧(IV測定)

ペデスタル
MPV

濃度

高ノイズ

(高ゲイン)

波高分布
B-3/180V

高高ゲイン

高ゲイン

B-1 (p++ 低)

Signal
MPV

高ゲイン

高ノイズ

• 3タイプで信号を観測• IV測定で観測した動作電圧で高い増幅 放射線損傷で動作電圧が高くなる
 センサー耐圧＜700V

TCHoUワークショップp++ 濃度が高いほど放射線耐性が高い
13

まとめ・今後(1)e−

将来の高輝度加速器実験のための飛跡検出器→LGAD検出器•高時間分解能(～30ps)•AC-LGADの最適化

h

荷電粒子

P++ Dope

2020年4月サンプル

新サンプル
2021年3月

C-2

DE

A-3B-2A-210倍
C-12倍

B-3

B-12倍
2.細密化
電極サイズを小さくするほど• 信号サイズが小さくなる• クロストーク量が増加

2021/3/30

1.放射線耐性• 1e14 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒 ⁄𝑐𝑐𝑐𝑐2 ,5e14 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒 ⁄𝑐𝑐𝑐𝑐2• 照射量が大きくなる→信号が小さくなる• 𝑝𝑝++ 濃度が高いほど、低電圧で動作• 耐圧により、高濃度ほど耐性が高い

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N+ Dope

3.今後• 時間分解能測定• 新サンプルの測定• 放射線耐性の研究
14まとめ・今後(2)

LGADセンサー放射線耐性

P++ Dope

2020年4月サンプル
B-3

新サンプル
2021年3月
DE

C-2

A-3

照射量

1 × 1014 neq ⁄cm2

A-2

5 × 1014 neq ⁄cm210倍
C-12倍

B-2

目標値：𝑂𝑂(1016 )1 × 1015 neq ⁄cm2
5 × 1015 neq ⁄cm2B-1

2倍
N+ Dope

新サンプルでは信号の大きさに関しての研究がメイン

現時点では𝑂𝑂(1015 )が限界？

耐性の向上が見込めない

未測定
TIDによるクロストークへの影響
アクセプタ・リムーバルによる𝑝𝑝++ 濃度の変化• 次のサンプル• ドープ濃度の最適化(𝑝𝑝++ 濃度)• doping profileの変更
2021/3/30

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