TCAD optimization of LGAD sensors for extremely high fluence applications

通量 探测器 光电子学 工艺CAD 辐射硬化 辐射损伤 辐射 二极管 计算机科学 击穿电压 物理 电压 光学 计算机辅助设计 激光器 工程类 量子力学 工程制图
作者
T. Croci,A. Morozzi,V. Sola,P. Asenov,A. Fondacci,S. Giordanengo,G. Borghi,M. Centis Vignali,G. Paternoster,M. Boscardin,M. Menichelli,N. Cartiglia,D. Passeri,F. Moscatelli
出处
期刊:Journal of Instrumentation [Institute of Physics]
卷期号:18 (01): C01008-C01008 被引量:6
标识
DOI:10.1088/1748-0221/18/01/c01008
摘要

Abstract The next generation of high-energy physics experiments at future hadronic colliders will require tracking detectors able to efficiently operate in extreme radiation environments, where expected fluences will exceed 1 × 10 17 n eq /cm 2 . This new operating scenario imposes many efforts on the design of effective and radiation-resistant particle detectors. Low-Gain Avalanche Diode (LGAD) represents a remarkable advance because the radiation damage effects can be mitigated by exploiting its charge multiplication mechanism after heavy irradiation. To obtain the desired gain (about 10–20) on the sensor output signal, a careful implementation of the “multiplication” region is needed (i.e. the high-field junction implant). Moreover, a proper design of the peripheral region (namely, the guard-ring structure) is crucial to prevent premature breakdown and large leakage currents at very high fluences, when the bias voltage applied creates an electric field higher than 15 V/μm. In this contribution, the design of LGAD sensors for extreme fluence applications is discussed, addressing the critical technological aspects such as the choice of the active substrate thickness, the gain layer design and the optimization of the sensor periphery. The impact of several design strategies is evaluated with the aid of Technology-CAD (TCAD) simulations based on a recently proposed model for the numerical simulation of radiation damage effects on LGAD devices.
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