高時間分解能検出器(LGAD)の細密電極化に関する開発
北彩友海, 植田樹, 鈴木尚紀, 原和彦(筑波大)
中村浩二 (KEK)2020/11/30

TCHoU構成員会議

1

Introduction

10cm• 高輝度、高エネルギーハドロン衝突型加速器の最大の問題は多重衝突– 高輝度LHCで140-200衝突/事象、 将来100TeV実験で1400衝突/事象– 飛跡検出器でこれを解決するには?
1.
2.

ピクセルサイズの細密化: 読み出し速度の問題もあり1/10 (505um角)の改善は難しい…
時間分解能 : 飛跡を構成する検出器ヒットに時間情報があると革新的に改善時間分解能 30ps で光速粒子の1cmを識別できる！

Low Gain Avalanche Diode (LGAD)の技術で30psの時間分解能を持つ半導体検出器が実現

2020/11/30

TCHoU構成員会議

2

(参考)ATLAS 前方LGAD検出器(HGTD)
高輝度LHCアップグレード

Hard Scatter (HS)の衝突点を同定する効率とパイルアップ(PU)除去改善は限定的か…

前方のカロリーメタ直前
4層のLGAD検出器
電極サイズは1.3mmx1.3mm

Tracking目的ではなく、Trackに時間情報を追加する
2020/11/30

TCHoU構成員会議

3

次世代LGAD検出器への要求• 当然、時間分解能と位置分解能を兼ね備えた検出器が欲しい！
ゆくゆくは飛跡検出器全部をこの検出器で置き換える！

• ざっくり必要な性能– 30ps程度の時間分解能– ~o(10)um 位置分解能.
– (ハドロン加速器用) ~o(1016)neq/cm2 までの放射線耐性• これが実現すると、粒子識別や新粒子の質量測定

4次元トラッキング！
Detector Hit

Tracking

β=1

β = 0.95

1mで150psの到達時間差
2020/11/30

TCHoU構成員会議

βを精度よく測ると質量が決まる
4

浜松ホトニクスでのLGAD検出器の歴史
First LGAD detector by HPK in 2015

S.Wada et.al. NIMA Volume 924, Pages 380-386 doi:10.1016/j.nima.2018.09.143
K.Onaru et.al. NIMA Volume 985, 164664 doi:10.1016/j.nima.2020.164664

First Strip detector hadgain un-uniformity

First PAD detector worked andevaluated 33ps timing resolution !!

80um pitch strip detector :only 20um region (25%) have gain

Second LGAD detector by HPK in 2018

R. Padilla et. al. 2020_JINST_15_P10003 doi:10.1088/1748-0221/15/10/P10003

ATLAS/CMS run for HL-LHC timing detector

Optimization of process/doping profile/active thickness etc. by ATLAS/CMS collaboration
2020/11/30

TCHoU構成員会議

5AC-LGAD検出器• 以前作ったLGADストリップ検出器(80umピッチ)有感領域が20%ほどしかなかった。
• 増幅層を共通にして、電極をAC的に配置増幅率の非一様性がなくなる。
DC-LGADn++

Aln+n+

p++p++--+-e ne+- eee-ehh
hhe hh nee--e- h- e- h- he++p hhhhhe hh p++
e-ee-

e--

SiO2

n+n+

p++

p++

hn++

Low fill factor

hhp+

AlAC-LGAD
DC elecn++

SiO2

Poly-Sin++n++

AC elec-eee- - +e- ee-e-- - - eehn-hhhhhe hhe ehh ehhhh ph++he-n++eee-hhh100% fill factor expected
But need to check Cross-talkp+ doping concentration– 信号がn+の中を走るのでクロストークがあるはず n+ ドープ量を減らす。 (= 抵抗値をあげる)
Parameter space for doping concentrationp+

2020/11/30

Higher Gain

DCLGAD

Smaller cross talkn+ doping concentration
TCHoU構成員会議

6

最初の AC-LGADプロトタイプ (浜ホト製)
Pad type sensor (4x 450umx450um) Pixel type sensor (14x14 50umx50um)
Poly-si resistor between DC ring and Bias ring(GND) To free up charge in n+.

Varied Al size (AC coupling capacitance size)
Pixel : 42/38/34/30 um width/length
Strip : 47/42/37/32 um width

Strip type sensor (16x 80um pitch)p+ doping

Varied n+ and p+ doping concentration
N+ doping concentration / resistivity
C(Ax10 resistivity)

3 (high)P+ dopingconcentration

B(Ax3.3 resistivity)

A (~DC-LGAD)

B-3

A-3
A-2

2 (mid)C-2

B-2

1 (low)

C-1

B-1

n+ doping
2020/11/30

TCHoU構成員会議

7

Pulse shape measurement• To detect signal from AC-LGAD–– Discrete Amp has been designed by Fermilab
and modified/produced at KEK.
– Pulse detected by CAEN DT5742 digitizer– Triggered by Scintillator with MPPC readout
Used 90Sr β source

Pad Sensor

Fermilab
KEK16 ch Discrete Amp. 16 ch Discrete Amp.

ch1 ch2
ch0 ch3

BOX
LV
HV90SrCollimator
Sensor
Amp. board

Scinti.

digitizer
Trigger
CAEN DT5742
Desktop Digitizer
5GS/s 10bit
12bit ADC 2V full range

ch1

Positive overshootfor highest signal onlych0
ch3
ch2
Typical Event :Pulse height
Particle through ch2
Detected cross talk in ch0,1,3

Scintillator /2020/11/30

TCHoU構成員会議

8Pulse Height and Bias Voltage dependencePedestal distribution is evaluated from off timing region
On timeExample : 190V Bias Voltage
Off time

PAD : C-2 typeOn time event

Operation region
Large gain increase Similar to leak current

Off time event

2020/11/30

Noise increasea bit later

TCHoU構成員会議

9Time resolution• To evaluate timing resolution, two same
type of pad sensors are stacked interleaved
by using plastic piece.
– Sigma of time difference : σ(T1-T2)= (σ1)2+(σ2)2– In case two same type sensors : σt = σ(T1-T2)/ 𝟐BOX
CollimatorSensors

LVHVAmp. board

2020/11/30

90Sr

digitizer
Scinti.

Trigger

TCHoU構成員会議

10Time resolution• Time difference has been calculated separately for all combination ofchannels in top and bottom channel then combined.
• Evaluated ~45ps time resolution at 200V.
Pulse Height Distribution

Time difference of pad 1 and 2

Timing resolution with certain threshold

Time resolution~45ps

2020/11/30

TCHoU構成員会議

11

Crosstalk
Pulse height
Type C-2
next posi• Pulse height distribution– type C-2 (x10 n+ resistivity) show good separation of signal andcrosstalk.

• Cross talk depends on n+ resistivity– Higher resistivity have smaller crosstalk– ~20% crosstalk for type C (x10 n+ resistivity)
Pulse height ratio to the Leading pulse height
Type A : same n+ res to DC LGAD

450um

next posiType B : x3.3 n+ resistivity

Type C : x10 n+ resistivity

next posi
next posi

450um next diagonal~20% crosstalknext
2020/11/30

TCHoU構成員会議

12

Distance dependence of Crosstalk• Crosstalk should depend on distance of electrode.
– To check the dependence, strip sensor (80um pitch) is used.
– Pulse height ratio to leading strip is plotted as a function ofdistance (unit of strips)– ~75% @ 80um, ~62% @ 160um distance.
– The strip where particle passed can be identified, butbetter to have smaller crosstalk.  will test higher n+resistivity

Strip : C-2 type Bias : 200V

Strip Sensor

距離の影響もあるが…
パッドに比べてクロストークが大2020/11/30

TCHoU構成員会議

13

Coupling capacitance and signal size
• PADとStripセンサーの波高分布の比較(ともにC-2タイプ200V) Equivalent Circuit– n+ と p+ のドープ量は同じ同じ Cbulk.
– 増幅された信号は、電極方向(Ccp)とn+抵抗方向(Rimp)に分離• インピーダンスの小さい方に流れやすい。
• パッドとストリップで大きな差があるのは 1/ωCcp >> Rimp か？

Ccp
Rimp

Rimp

Area0.2mm2

MPV = 76.1mV

x4.5

p++

Cbulk

47um
900um

0.042mm2

Signalx3.92020/11/30

Rimp

Strip Sensor
450um

450um

Ccp
n+– Rimp を大きくすることで信号の波高も大きくなりクロストークが抑えられるのではないか？ DCLGADの100倍程度の抵抗が欲しい

Pad Sensor

Ccp

TCHoU構成員会議

MPV = 19.5mV

14Rimp考えられる仮説• 電荷の分離 : インピーダンス比Equivalent Circuit

Zcbulk>>ZCcpと仮定して…

𝑄=𝑍𝑅𝑖𝑚𝑝

𝑍𝑅𝑖𝑚𝑝 + 𝑍𝐶𝑐𝑝

Ccp

𝑄0– アバランシェでできた電荷Q0– 電極から読み出される電荷QCcp

Ccp
n+

Rimp

Rimp

Q0 Rimp

p++

Cbulk

信号が大きくなる条件
Ccpが大きいRimpが大きい

2020/11/30

Q

この仮説を
TCADシミュレーションで確認
実データと比較

TCHoU構成員会議

15Rimp

TCAD simulation• TCAD(電場シミュレータ)で2Dモデルを作成
Fixed parameters

Rimp : n+のドープ量を 1e17 – 1e19 [atm/cm3]で変化
Ccp : Al 電極サイズを 32um – 47umまで変化

 Electrode : DC×2, AC×5

 Sensor thickness : 50um
 Oxide thickness : 0.1um

Ccpは狭い領域のみ…

 n+dope depth : 0.8um
 Temperature : 20deg
 Bias voltage : 360V

AC電極

DC電極

シミュレーション結果

 Strip pitch : 80um

2020/11/30TCHoU構成員会議

16

TCAD vs 実測• Alサイズの異なるストリップを違って収集電荷のCcp依存性をシミュレーションと実測で比較

47um

42um

37um

32um

Off-position particle veto& analysis elec

AC elec

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

0 2 4 6 8 10 12 14 16

TCADシミュレーション結果

DC elec

18 20 22 24 26 28 30 32 34

Off-position particle veto

実測定結果

トレンドは再現している
絶対値は3Dシミュレーションが必要か…
2020/11/30

TCHoU構成員会議

17

p+ doping concentration

Conclusion & Planfabricated at HPKParameter space for doping concentration
C-3

B-3

電極の細密化をしたAC-LGADもLGAD検出器として動いている！

A-3n+ 抵抗が高いほどクロストークが抑制できる

Higher Gain
C-2

B-2

A-2

DCLGAD
C-1

B-1

A-1

Smaller cross talk

Cross talk : x10 n+ resistivity sample (C-2 type)450um角のパッド検出器 : 20%80um pitch strip : 75% @隣のストリップ

時間分解能は ~45ps要検査
ZCcpとZRimpの比で信号が決まる
信号が大きくなる条件
Ccpが大きいRimpが大きい

Ccpn+

Rimp

Rimp

p++

Cbulk

x 1/10n+ doping concentration
2020/11/30

TCHoU構成員会議

18

p+ doping concentration

Conclusion & Planfabricated at HPKParameter space for doping concentration
C-3

B-3

電極の細密化をしたAC-LGADもLGAD検出器として動いている！

A-3

n+ 抵抗が高いほどクロストークが抑制できる

Higher Gain
D-2

C-2

B-2

A-2

DCLGAD
D-1

C-1

B-1

A-1

Smaller cross talkx 1/10x 1/10n+ doping concentration

2020/11/30

TCHoU構成員会議

Cross talk : x10 n+ resistivity sample (C-2 type)450um角のパッド検出器 : 20%80um pitch strip : 75% @隣のストリップ

時間分解能は ~45ps要検査
ZCcpとZRimpの比で信号が決まる
信号が大きくなる条件
Ccpが大きいRimpが大きい

PlanCcp
n+

Rimp

Rimp

p++

Cbulk

今年度の予算でn+濃度を1/10にしたサンプルと酸化膜圧を1/2にしたサンプルを製造中
19

backup

2020/11/30

TCHoU構成員会議

20

ATLAS 前方LGAD検出器(HGTD)

2020/11/30

TCHoU構成員会議

21

IV-カーブ
Varied n+ and p+ doping concentration

Higher Gain/earlier break in case :N+ doping concentration / resistivity
C(Ax10 resistivity)
3 (high)P+ dopingconcentration

B(Ax3.3 resistivity)

A (~DC-LGAD)

B-3

A-3
A-2

2 (mid)C-2

B-2

1 (low)

C-1

B-1

High p+ doping– Higher p+ doping– Lower n+ doping

C-2 type should be :– Smaller crosstalk– Relatively higher gain

High p+ doping
High p+ doping

2020/11/30

TCHoU構成員会議

22Temperature dependent IV curve• Changed temperature from -30oC to 24oC

2020/11/30

TCHoU構成員会議

23

(参考)BNLのセンサー

N+ 濃度が1e17/cm3程度
 DCLGADの1/100

2020/11/30

TCHoU構成員会議

24

Electrical test after Irradiation• Irradiated sensors at 1e14neq/cm2 and 1e15neq/cm2 and tested I-V
performance.
• Gain-on voltage increased to ~220V @ 1e14neq/cm2 and 550V @1e15neq/cm2 ; they still seem to have gain.
Non-irrad -20oC

VGain-on

VGain-on
1e14neq/cm2 -20oC

Note: Non-irrad sample has alower gain-on voltage at -20oC
190V140V

2020/11/30

1e15neq/cm2 -20oC

Non-irrad 20oC

TCHoU構成員会議

25

ATLAS/CMSの結果 @ Vertex 2020
• DC-LGAD(ATLAS/CMS run)の結果– 1.5e15 neq/cm2の時増幅が出るのは約500-600V• 前のページの結果とさほど違いはない。
– n+濃度を薄くすることによる放射線耐性の悪化は見られないか？

2020/11/30

TCHoU構成員会議

26

ポリシリコンの必要性(?)• BNLのサンプルで、DCリングとバイアスリング間の抵抗の有無でテストした結果があるそうです。

可能なら、一枚ポリシリなしのwaferをプロセスしてもらえますでしょうか。

[ns]– 短い時間窓を設定したときは基本的には結果は変わらないとのこと。
– ただし、信号の伝達速度は8 strip (640um)で<100ps なので反射があると影響があるか？

短い時間窓

2020/11/30

TCHoU構成員会議

27

余談• FBK, BNL, HPKのAC-LGADが位置分解能、時間分解能をあわせもち、不感領域もないということもあって、将来の加速器に使おうという動きが欧米で進んでいます。
– 将来的にはATLASのような大型ハドロン衝突型加速器に入れたいところですが、計画、建設、実験開始と非常に長い時間を要します。(2040年以降)– アメリカに建設予定の電子・イオン衝突実験でACLGADを実現しようというコンソーシアムがアメリ
カを中心に盛り上がっています。これが実現すると10年後にATLASと同程度の飛跡検出器(StripやPixelの部分)全体にAC-LGADを入れる可能性もあります。  大型の(100-200m2)量産になります。

2020/11/30

TCHoU構成員会議

28

TCAD simulation
TCAD model50um
P++ doping concentrationn+ doping concentration

2020/11/30

TCHoU構成員会議

29

TCAD simulation – IV curve
 Simulation

 MeasurementHigh p++
High p++MiddleLowLowMiddle

The higher the p++, the lower the voltage at
which avalanche amplification occurs

2020/11/30

TCHoU構成員会議30

 Signal size
Simulation

2020/11/30

Implant resistivity vsn dope concentration

TCHoU構成員会議

31

Frequency dependence
Impedance eachfrequency

𝒁𝑹𝒊𝒎𝒑

𝑹𝒊𝒎𝒑
𝑸=𝑸 =𝒁𝑹𝒊𝒎𝒑 + 𝒁𝑪𝒄𝒑 𝟎 𝑹𝒊𝒎𝒑 + 𝟏/𝟐𝝅𝒇𝑪𝒄𝒑
From this equation, readout charge Q should be propositional to the
Rimp/(Rimp+Zcp) and slope shoulbe Qo.
Frequency to calculate the impedance from capacitance is not sure (should beorder of 100MHz since pulse shape have a few ns width) but probably thefreqency value which makes that the readout charge proposional to theRimp/(Rimp+Zcp) is actual value.
i.e. 10-100MHz from the plot.
2020/11/30

TCHoU構成員会議

32