DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01005
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Li Han وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطوير كاشفات الجسيمات وأدائها
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة تصميم وتوصيف حساسات AC-LGAD التي تم تطويرها في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC). تم تقييم الحساسات باستخدام نظام تقنية التيار العابر بالليزر تحت الأحمر (TCT) لتقييم خصائص استجابة الإشارة والدقة المكانية. حققت الدراسة دقة مكانية تبلغ 4 ميكرومتر ودقة زمنية تبلغ 48 بيكو ثانية، تم قياسها من خلال قياسات مع الإلكترونات المنبعثة من مصدر مشع Sr-90.
تشير النتائج إلى أن الدفعة الأولى من حساسات USTC AC-LGAD قد تم تصنيعها وتوصيفها بنجاح. يشمل التوصيف الشامل محاكاة للحقول الكهربائية الساكنة والإشارات الديناميكية، تليها اختبارات كهربائية. ومن الجدير بالذكر أن قياسات TCT أظهرت أن الدقة المكانية يمكن أن تتجاوز المسافة الاسمية مقسومة على \(\sqrt{12}\)، حيث حقق مصفوفة وسادة بمسافة 150 ميكرومتر دقة موضع تبلغ 6.20 ميكرومتر، بينما وصلت الأقطاب الشريطية ذات المسافة الأصغر إلى 3.86 ميكرومتر. تؤكد هذه الأبحاث فعالية القراءة المقاومة في تعزيز دقة الموضع وتؤسس إطار محاكاة موثوق، مما يمهد الطريق للتطورات المستقبلية التي تهدف إلى تحسين تصميمات AC-LGAD لتطبيقات محددة تتطلب دقة مكانية وزمنية متنوعة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث ثنائي الصمام الانهياري ذو الكسب المنخفض (LGAD)، مع التركيز بشكل خاص على التقدم المحرز في تصميم AC-LGAD المقاوم. يمثل LGAD، وهو كاشف سيليكون من نوع n-in-p، طبقة كسب مشبعة بشكل كبير لتحقيق دقة توقيت استثنائية تبلغ حوالي 30 بيكو ثانية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للتحديثات على تجارب ATLAS وCMS في مصادم الهادرونات الكبير عالي اللمعان (HL-LHC). ومع ذلك، تواجه تصميمات DC-LGAD التقليدية قيودًا بسبب وجود مناطق بدون كسب بين الوسادات المجزأة، مما يؤثر سلبًا على عامل ملء الحساس ويقيد التجزئة الدقيقة.
يمثل AC-LGAD ابتكارًا كبيرًا في تكنولوجيا كاشفات الإشعاع، حيث يتناول هذه القيود من خلال استخدام طريقة قراءة متصلة بالتناوب وعمليات زراعة كسب مستمرة تقضي على المناطق بدون كسب مع الحفاظ على دقة التوقيت لـ DC-LGAD. يتضمن هذا التصميم طبقة عازلة تسهل القراءة السعوية، مما يسمح بتحسين الدقة المكانية من خلال تأثيرات مشاركة الشحنة. توضح الورقة التطور الشامل لـ AC-LGAD في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، مع تفاصيل تصميم الجهاز، وتحسين التصنيع، وتقييم الأداء، مع تخصيص الأقسام التالية لهذه الجوانب.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وتصنيع الدفعة الأولى من حساسات AC-LGAD في USTC، والتي تم تخصيصها لتحديث ATLAS HL-LHC. تشمل التعديلات الرئيسية على عملية تصنيع LGAD القياسية تحديد زراعة طبقة $n^{++}$ في منطقة الحلقة DC، وضبط زراعة طبقة $n^{+}$ للاتصالات المقاومة، وتنفيذ طبقة عازلة للتوصيل بالتناوب. تم توجيه تحسين هذه المعلمات بواسطة محاكاة TCAD، التي نمذجة الخصائص الكهروستاتيكية وانتشار الإشارة داخل الحساسات. كما تسلط الدراسة الضوء على أهمية تخطيط الأقطاب لتقاسم الإشارة الحساسة للموقع.
تم تقييم الخصائص الساكنة والديناميكية للحساسات بشكل شامل. كشفت قياسات التيار-الجهد (IV) والسعة-الجهد (CV) عن جهود انهيار تبلغ حوالي 27 فولت للرقاقة W5 و30 فولت لـ W6، مع سعة تفريغ ثابتة حوالي 3 بيكو فاراد. تم تقييم الخصائص الديناميكية باستخدام تقنية التيار العابر بالليزر تحت الأحمر، مما يظهر دقة مكانية تبلغ 6.2 ميكرومتر لأقطاب الوسادة و3.86 ميكرومتر لأقطاب الشريط، متجاوزة بشكل كبير المسافة الاسمية مقسومة على $\sqrt{12}$. تم قياس الدقة الزمنية بحوالي 48 بيكو ثانية، متوافقة مع التوقعات لهذا التكوين الحساس. بشكل عام، تشير التصنيع والتوصيف الناجح لحساسات AC-LGAD إلى إمكاناتها في تعزيز الدقة المكانية والزمنية في التطبيقات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01005
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Li Han et al.
Primary Topic: Particle Detector Development and Performance
Overview
This paper presents the design and characterization of AC-LGAD sensors developed at the University of Science and Technology of China (USTC). The sensors were evaluated using an infrared laser Transient Current Technique (TCT) system to assess their signal response characteristics and spatial resolution. The study achieved a spatial resolution of 4 μm and a temporal resolution of 48 ps, quantified through measurements with electrons emitted from a Sr-90 radioactive source.
The findings indicate that the first batch of USTC AC-LGAD sensors has been successfully fabricated and characterized. The comprehensive characterization includes simulations of static electric fields and dynamic signals, followed by electrical tests. Notably, the TCT measurements demonstrated that the spatial resolution can exceed the nominal pitch divided by \(\sqrt{12}\), with a 150 μm-pitch pad matrix achieving a position resolution of 6.20 μm and strip electrodes with smaller pitch reaching 3.86 μm. This research confirms the effectiveness of resistive readout in enhancing position resolution and establishes a reliable simulation framework, laying the groundwork for future developments aimed at optimizing AC-LGAD designs for specific applications requiring varied spatial and temporal resolutions.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the Low Gain Avalanche Diode (LGAD), specifically focusing on the advancements made with the resistive AC-LGAD design. The LGAD, an n-in-p silicon detector, utilizes a heavily doped gain layer to achieve exceptional timing precision of approximately 30 picoseconds, making it particularly suitable for upgrades to the ATLAS and CMS experiments at the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). However, traditional DC-LGAD designs face limitations due to the presence of no-gain regions between segmented pads, which adversely affects the sensor’s fill factor and restricts finer segmentation.
The AC-LGAD represents a significant innovation in radiation detector technology, addressing these limitations by employing an AC-coupled readout method and a continuous gain implant that eliminates no-gain regions while preserving the timing resolution of the DC-LGAD. This design incorporates a dielectric layer that facilitates capacitive readout, allowing for improved spatial resolution through charge sharing effects. The paper outlines the comprehensive development of the AC-LGAD at the University of Science and Technology of China, detailing device design, fabrication optimization, and performance evaluation, with subsequent sections dedicated to these aspects.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and fabrication of the first batch of AC-LGAD sensors at USTC, which are tailored for the ATLAS HL-LHC upgrade. Key modifications to the standard LGAD fabrication process include limiting the implantation of the $n^{++}$ layer to the DC ring area, adjusting the $n^{+}$ layer doping for resistive connections, and implementing a dielectric layer for AC coupling. The optimization of these parameters was guided by TCAD simulations, which modeled the electrostatic properties and signal propagation within the sensors. The study also highlights the importance of electrode layout for position-sensitive signal sharing.
The static and dynamic characteristics of the sensors were thoroughly evaluated. Current-Voltage (IV) and Capacitance-Voltage (CV) measurements revealed breakdown voltages of approximately 27 V for wafer W5 and 30 V for W6, with consistent depletion capacitance around 3 pF. Dynamic properties were assessed using an infrared laser transient current technique, demonstrating a spatial resolution of 6.2 μm for pad electrodes and 3.86 μm for strip electrodes, significantly surpassing the nominal pitch divided by $\sqrt{12}$. The temporal resolution was measured at around 48 ps, consistent with expectations for this sensor configuration. Overall, the successful fabrication and characterization of the AC-LGAD sensors indicate their potential for enhanced spatial and temporal resolution in future applications.