STCF 내 MAPS 기반 내부 트래커 시뮬레이션 및 최적 설계

초록

본 논문은 슈퍼 타우‑챔 퍼실리티(STCF) 내 트래킹 시스템에 적용할 Monolithic Active Pixel Sensors(MAPS)의 성능을 평가하기 위해 TCAD와 Monte‑Carlo 기반의 전용 시뮬레이션 워크플로우를 구축하였다. 다양한 공정·픽셀 형태를 비교한 결과, 고저항성 에피택시얼 층을 갖는 스트립형 픽셀이 검출 효율·공간 해상도·시간 해상도 면에서 최적임을 확인하고, 이를 기반으로 3층 MAPS 내부 트래커를 설계·시뮬레이션하였다. 평균 검출 효율 99 % 이상, z‑방향 44.8 µm·r‑φ 방향 8.2 µm의 공간 해상도, 1 GeV/c μ⁻에 대한 5.9 ns의 내재 시간 해상도를 달성해 STCF 요구 사양을 충족함을 보였다.

상세 분석

본 연구는 STCF와 같은 고휘도·고방사선 환경에서 요구되는 초저소재·저전력·고정밀 트래킹을 만족시키기 위해 MAPS 기술을 체계적으로 검증한다는 점에서 의미가 크다. 먼저 네 가지 CMOS 공정(HR epi, N blanket, LR epi, HR substrate)을 선정하고, 동일한 33 µm × 33 µm 기본 픽셀 레이아웃에 대해 TCAD 기반 정적·동적 시뮬레이션을 수행하였다. 정적 시뮬레이션에서는 전위·전하 분포와 C‑V 특성을 통해 각 공정의 전계 강도와 전하 수집 영역을 정량화했으며, 동적 시뮬레이션에서는 MIP와 ⁵⁵Fe X‑ray 입사에 대한 전하 생성·확산·재결합 과정을 60 e⁻/µm의 균일 전하 밀도로 모델링하였다. 특히 N blanket 공정은 저전압에서도 넓은 고전계 영역을 형성해 전하 수집 속도와 효율을 크게 향상시키는 것으로 확인되었다.

Monte‑Carlo 단계에서는 Geant4와 Allpix‑2 기반의 전하 전송 모델을 OSCAR 프레임워크에 통합해 실제 입자 트랙, 에너지 손실 플럭스, 전하 확산을 재현하였다. 전하 이동은 Ramo‑Shockley 정리를 이용해 전극에 유도되는 전류를 계산하고, 클러스터 형성·전하 가중 중심을 통해 픽셀 레벨의 위치 재구성을 수행했다. 이 과정에서 픽셀 간 전하 공유와 클러스터 크기 분포가 공간 해상도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.

다양한 픽셀 기하학 중, 한 축을 170 µm까지 연장한 스트립형 픽셀(가로 33 µm × 세로 170 µm)은 z‑방향 입자 추적에 충분한 해상도를 제공하면서 채널 수를 감소시켜 전력 소모를 50 mW/cm² 이하로 제한한다는 장점을 보였다. 고저항성 에피택시얼 층을 사용한 HR epi 공정과 N blanket 공정의 조합이 전하 수집 효율을 99 % 이상으로 끌어올리며, 전하 전송 지연을 최소화해 5.9 ns 수준의 시간 해상도를 달성하게 한다.

전체 트래커 시뮬레이션에서는 3층 구조(각 층 두께 0.3 % X₀)로 구성된 ITKM을 구현하고, 입자 발생·전달·디지털 변환 전 과정을 동일한 워크플로우로 처리했다. 결과적으로 평균 검출 효율 99.2 %를 기록했으며, z‑방향 44.8 µm, r‑φ 방향 8.2 µm의 공간 해상도와 1 GeV/c μ⁻에 대한 5.9 ns의 내재 시간 해상도를 달성했다. 이는 STCF가 요구하는 100 µm 이하의 위치 정밀도와 20 ns 이하의 타임스탬프 정확도를 충분히 만족한다는 것을 의미한다. 또한, 시뮬레이션 결과는 방사선 피폭(1 Mrad/yr, 1 × 10¹¹ n_eq/cm²/yr) 하에서도 전력·소재·성능 트레이드오프가 유지될 수 있음을 시사한다.

이와 같이 본 논문은 TCAD와 MC 시뮬레이션을 결합한 통합 워크플로우를 통해 MAPS 설계 공간을 효율적으로 탐색하고, STCF 내부 트래커에 최적화된 센서·픽셀 구조를 도출함으로써 차세대 고에너지 물리 실험에 적용 가능한 검증된 설계 방법론을 제시한다.