Karakterizacija pomnoževanja in zbiranja naboja v polprevodniških detektorjih z naprednimi metodami meritev prehodnega toka

V predlaganem projektu bomo izmerili lastnosti pomnoževanja naboja z ionizacijo pri trkih v silicijevih detektorjih z majhno stopnjo notranjega ojačenja LGAD ter zbiranje naboja v detektorjih delcev iz silicijevega karbida. V ta namen bomo razvili nove inovativne metode pri tehniki merjenja prehodnega toka TCT z laserjem. Sistemi za meritev časa prihoda delcev z detektorji LGAD z ločljivostjo nekaj 10 ps postajajo pomembna komponenta eksperimentov na hadronskih trkalnikih z visoko gostoto trkov. Takšna sistema bosta ATLAS HGTD in CMS HGCAL, ki bosta leta 2028 vgrajena med nadgradnjo Velikega hadronskega trkalnika na visoko luminoznost (HL-LHC). Druge uporabe sevalno odpornih časovnih detektorjev so monitoring fuzijskih reaktorjev s temperaturno odpornimi detektorji iz silicijevega karbida (SiC) in aplikacije na medicinskih napravah z ionskim žarkom. Za doseganje željene časovne ločljivosti je pomembno visoko razmerje signal-šum, ki ga detektorji LGAD lahko dosežejo zaradi notranjega pomnoževanja naboja z ionizacijo pri trkih. Faktor ojačenja je odvisen od sevalnih poškodb, ki jih v detektorjih med delovanjem povzročijo hadroni, in od gostote prostih nosilcev naboja, ki lahko ob visokih koncentracijah s senčenjem električnega polja zmanjšajo ojačenje. V projektu bomo v detektorjih LGAD z uporabo novih metod TCT opredelili odvisnost procesa ionizacije pri trkih od fluence. Določili bomo tudi stopnjo senčenja električnega polja pri različnih koncentracijah naboja ter njegovo časovno odvisnost. Za merjenje zbiranja naboja v detektorjih iz silicijevega karbida z veliko pasovno vrzeljo bomo razvili sistem TCT z UV svetlobo. Meritve bomo izvedli na vzorcih obsevanimi z nevtroni okrog fluenc značilnih za HL-LHC (2,5×1015 neq/cm2) in do ekstremnih fluenc (1017 neq/cm2), preučili pa bomo tudi možnost protonskega obsevanja. Meritve odvisnosti pomnoževanja naboja z ionizacijo pri trkih od fluence bomo izvedli s tehniko TCT z dvofotonsko absorpcijo (TPA-TCT), kjer bomo žarek usmerili prek roba vzorca LGAD (Edge-TPA). TPA-TCT omogoča fokusiranje žarka v močno omejen volumen – 1 μm prečno na žarek, 30 μm vzdolž žarka – kar bo zagotovilo injiciranje naboja na točno določeno razdaljo od zbiralne elektrode. Na ta način bomo lahko določili ter v analizi kompenzirali količino morebitnega pomnoževanja naboja izven pomnoževalne plasti. Faktor ojačenja bomo določili iz razmerja amplitud signalov v vzorcu LGAD in referenčnem vzorcu brez notranjega ojačenja. To bo sploh prva meritev Edge-TPA z vzorci LGAD. Za meritve odvisnosti pomnoževanja od senčenja naboja bomo razvili sistem TCT, ki bo omogočal kombinacijo več laserskih žarkov v en izvor (Multi-beam TCT). Izvorni laserski žarek bomo razcepili v dva žarka, od katerih bo prvi ustvaril različne količine prostih nosilcev naboja, drugi pa bo služil za injiciranje testnih signalov. Za natančno nastavitev relativnega časovnega zamika med obema žarkoma bomo razvili modul z variabilno dolžino optične poti v eni veji. Iz amplitude signala, ki ga bo povzročil drugi pulz, bomo določili zmanjšanje ojačenja zaradi senčenja, z uporabo relativnih zamikov pa bomo določili časovni potek senčenja. Poleg tega bo sistem vključeval še laserski žarek s konstantno (DC) osvetlitvijo, ki bo omogočal preučevati odvisnost velikosti signala od stopnje zasedenosti pasti za naboje v obsevanih vzorcih. Razvili bomo tudi enega prvih sistemov za meritve TCT v detektorjih iz silicijevega karbida, ki zaradi večje pasovne vrzeli potrebuje vzbujanje z UV svetlobo. V ta namen bomo nadgradili obstoječi sistem TCT z optičnim sistemom za UV svetlobo. V vzorcih SiC bomo izmerili uniformnost zbiranja naboja in globino osiromašenega območja v odvisnosti od fluence.