Monte Carlo simulation of minority carriers transport for the ALIPDE pixel sensors

국문 초록 (Abstract)

CERN에 있는 ALICE(A Large Ion Collider Experiment) 실험을 위한 ITS (Inner Tracking System) 업그레이드가 진행 중 이다. Heavy flavored production과 quark-gluon plasma를 이해하기 위해서는 가속기에 고성능 particle detector가 필요하다. 이를 위해 Monolithic Active Pixel Sensor의 종류인 ALPIDE chip이 디자인 되었다.
대전 된 입자는 입자와 충돌 경로를 둘러싸고 있는 실리콘 원자 사이의 이온화 반응에 의해 생성 된 non-equilibrium carrier를 수집함으로써 픽셀에 의해 검출 될 수 있다. Detector 성능을 결정짓는 중요한 요소는 charge collection efficiency, charge collection time, radiation tolerance 이다. 센서의 주 감지 영역 인 epitaxial layer가 위의 성능을 결정짓는 중요한 층이다. 픽셀의 charge collection efficiency와 collection time을 향상시키기 위하여 epitaxial layer의 전압, 전극의 배치 등을 바꿔가며 시뮬레이션을 하였다.
이 논문에서는 (1) 실제 ALPIDE 센서를 참조하여 단일 픽셀구조와 5 X 5 행렬 구조를 만들고, (2) device 시뮬레이션을 통하여 electric field와 electric potential을 계산 한 후 (3) Monte Carlo 방법을 통해 carrier transport를 시뮬레이션 하였다.
시뮬레이션의 결과는 detector의 전압과 간격이 클수록 보다 큰 potential과 electric field 분포를 갖는다는 것을 보여준다. Radiation은 charge collection 성능을 아주 살짝 변화시킴을 보였다. Charge collection time 은 약 5 ns 이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ITS (Inner Tracking System) upgrade for the ALICE (A Large Ion Collider Experiment) of the LHC (Large Hadron Collider) at CERN is underway. High performance particle detectors are required to work with the collider to understand heavy flavored production and quark-gluon plasma. ALPIDE chip which is a kind of Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) have been designed.
The charged particles can be detected by the pixel by collecting non-equilibrium carriers which are generated by the ionization reaction between the charged particles and the silicon atoms surrounding the impingement path. The key performance parameters for the detectors are charge collection efficiency, charge collection time, radiation tolerance and so on. As the main sensitive area of the sensor, the epitaxial layer is the main object of this work. In order to improve the charge collection efficiency and collection time of the pixel, the epitaxial layer parameters such as different applied voltage, different spacing in the electrode and different radiation environment are simulated to understand the charge collection mechanism.
In this paper: (1) using the real ALPIDE chip as a reference design for a single pixel and 5 × 5 matrix structure; (2) evaluating the static factors in sensors such as electric potential, electric field and depletion region based on the device simulation; (3) simulating the carriers transport by the Monte Carlo method.
Simulation shows that detectors with large voltage and bigger spacing have a more attractive potential and electric field distribution. The radiation changes slightly the performance of the charge collection performance. The charge collection time is about 5 ns.