Characterization of Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) for the timing detectors of the HL-LHC

Abstract

ABSTRACT: For the high-luminosity LHC upgrade (HL-LHC), the ATLAS and CMS experiments are planning to include dedicated detector systems to measure the arrival time of Minimum Ionising Particles (MIPs). Such systems should provide a timing resolution of 30 ps per MIP. State-of-the-art timing technologies integrating Silicon photo-multipliers and plastic scintillators do not tolerate the hadron fluences expected at the end-cap detector regions (up to 3x10^15neq/cm2). To cope with these requirements, a Silicon sensor with integrated signal amplification, the Low Gain Avalanche Detector (LGAD) is the baseline sensing technology of the end-cap timing detector systems at HL-LHC. A detailed study of LGAD pad-like sensors manufactured at Instituto de Microelectrónica de Barcelona - Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM) and irradiated at CERN’s PS-IRRAD proton facility up to a fluence of 1x10^14neq/cm2 is carried out in this project.

RESUMEN: Para la actualización de alta luminosidad del LHC (HL-LHC), los experimentos de ATLAS y CMS planean incluir sistemas de detectores dedicados para medir el tiempo de llegada de partículas mínimamente ionizantes (MIP). Tales sistemas deben proporcionar una resolución temporal de 30 ps por MIP. Las tecnologías de temporización de última generación que integran foto-multiplicadores de silicio y centelladores de plástico no toleran las fluencias de hadrones esperadas en las "endcaps" del detector (hasta 3x10^15neq/cm2). Para hacer frente a estos requerimientos, un sensor de silicio con amplificación de señal integrada, el Detector de Avalancha de Baja Ganancia (LGAD, Low Gain Avalanche Detector) es la tecnología base de los detectores de timing en las zonas de alta radiación. En el presente proyecto se lleva a cabo un estudio exhaustivo de las prestaciones de sensores LGAD tipo "pad" fabricados en en Instituto de Microelectrónica de Barcelona - Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM) e irradiados en la instalación de protones PS-IRRAD del CERN hasta una fluencia de 1x10^14neq/cm2.