HGTD를 위한 사전 생산 LGAD의 빔 테스트 검증: 고성능 타이밍 센서의 현장 평가

초록

본 논문은 ATLAS 고입자 충돌 실험에 탑재될 고해상도 타이밍 검출기(HGTD)용 저이득 폭발형 검출기(LGAD)의 사전 생산 샘플을 CERN SPS와 DESY 전자 빔에서 시험한 결과를 보고한다. 0 ~ 2.5 × 10¹⁵ n_eq/cm²까지 중성자 조사 후에도 수집 전하 15 fC 이상, 시간 분해능 30 ps 이하, 히트 효율 97 % 이상을 유지함을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 HL‑LHC 시대에 필수적인 전방 영역의 퍼리 퍼링(pile‑up) 억제를 목표로 하는 ATLAS 고입자 검출기(HGTD)의 핵심 소자인 저이득 폭발형 검출기(LGAD)의 방사선 내구성과 타이밍 성능을 실험적으로 검증한다. 사전 생산 단계에서 제작된 두 가지 설계(IHEP와 USTC)와 각각의 QC‑TS(single‑pad) 구조를 대상으로, 300 µm와 775 µm 두 종류의 물리적 두께를 가진 샘플을 선택하였다. 특히, p⁺ 게인 레이어에 탄소를 공동 도핑함으로써 수소 수용체(acceptor) 제거 속도를 억제하고, 고방사선 플루언스에서도 낮은 작동 전압으로 충분한 전하 증폭을 가능하게 하는 설계적 혁신을 검증한다.

중성자 플루언스는 0, 0.8, 1.5, 2.5 × 10¹⁵ n_eq/cm²까지 단계적으로 적용했으며, 각 플루언스에 대해 I‑V 특성을 -30 °C(또는 -40 ~ -25 °C)에서 측정해 누설 전류와 파괴 방전 한계를 확인하였다. 방사선 손상 후에도 550 V 이하의 안전 전계(≤ 11 V/µm) 내에서 동작 가능함을 보여준다.

빔 테스트는 CERN SPS에서 120 GeV 펭귄 빔, DESY II에서 5 GeV 전자 빔을 이용해 수행했으며, LGAD와 마이크로채널 플레이트 광전관(MCP‑PMT) 간의 시간 동기화를 통해 절대 시간 분해능을 추정하였다. 전자기 파형은 1 GHz 대역폭, 6.25 GS/s 샘플링 레이트를 갖는 8채널 오실로스코프에 기록되었고, 내부 및 외부 20 dB 2단 증폭기를 사용해 전송 임피던스 변동을 보정하였다.

수집 전하 측정에서는 전압을 200 ~ 550 V 범위에서 스캔했으며, 비조사 샘플은 20 V 전압 증가당 약 0.5 fC씩 전하가 증가하는 반면, 2.5 × 10¹⁵ n_eq/cm² 플루언스를 받은 샘플은 300 V에서 15 fC 이상을 확보했다. 이는 설계 목표인 최소 15 fC(초기) 및 4 fC(수명 종료)보다 충분히 높은 값이다.

시간 분해능은 전압에 따라 25 ps ~ 35 ps 수준을 유지했으며, 특히 2.5 × 10¹⁵ n_eq/cm² 플루언스를 받은 샘플에서도 30 ps 이하를 달성했다. 이는 ALTIROC 프런트‑엔드 ASIC의 2 fC 임계값을 충분히 초과하는 신호‑대‑노이즈 비를 제공함을 의미한다.

히트 효율은 입사 각도와 전압에 따라 변동했지만, 중앙 영역에서 97 % ~ 99 %를 기록했으며, 가장 높은 플루언스를 받은 경우에도 95 % 이상을 유지했다. 이는 전방 2.4 < |η| < 4.0 영역에서 요구되는 효율 기준을 만족한다.

전반적으로, 탄소 공동 도핑을 통한 게인 레이어 최적화, 두께 차이에 따른 전기적 특성, 그리고 저온 운영이 결합된 사전 생산 LGAD는 방사선 손상 후에도 목표 성능을 충족한다는 결론을 도출한다. 이는 HGTD 최종 모듈 양산 전 단계에서 설계 검증을 마친 중요한 이정표이며, 향후 대량 생산 및 시스템 통합에 대한 신뢰성을 크게 높인다.