300 μm厚低增益雪崩探测器（LGADs）背面辐照用于3–9 MeV α粒子能谱测量及增益抑制缓解

《Radiation Physics and Chemistry》：Exploring the potential of Low Gain Avalanche Detectors for low-energy ion spectrometry

　　

背面辐照可缓解300 μm低增益雪崩探测器（Low Gain Avalanche Detectors, LGADs）中的增益抑制（gain suppression）。对于3–9 MeV α粒子（alpha particles）实现了线性电荷响应。背面工作模式提供更高且更均匀的增益（背面为3–4，正面为2）。能量分辨率与PiN探测器（PiN detectors）相当（1%–2%）。结果表明LGADs适用于低能离子能谱测量。

低增益雪崩探测器（Low Gain Avalanche Detectors, LGADs）利用倍增层高电场放大信号，但在高电离密度下会出现增益抑制（gain suppression），即倍增电场被瞬态屏蔽。该现象已在光子、质子和离子中报道，并与离子能量、种类和射程有关；短射程离子在PN结附近产生高密度电荷，电子漂移时间短、横向扩散不足，抑制更强。α粒子（alpha particles）较光子和β辐射增益显著降低，能量分辨因雪崩与抑制统计涨落而退化，因此通常认为LGADs在低能离子能谱中不如硅PiN探测器（PiN detectors）。常规LGAD由约50 μm高阻有源层和200–600 μm低阻支撑衬底组成，低能离子通常只能从正面（倍增层侧）入射，因背面低阻衬底中电荷会复合和俘获，这使能量沉积紧邻PN结。本研究采用300 μm厚高阻晶圆、P⁺⁺阱约1 μm的LGAD，可从正面和背面入射，旨在使α粒子高电离密度远离PN结，并利用更厚衬底增强电子漂移中的横向扩散，考察背面辐照能否缓解增益抑制，并以40 kV X射线比较带电粒子与光子响应。

研究人员在Institute of Microelectronics of Barcelona (IMB-CNM)制造3×3 mm² LGAD，正面有2.3 mm圆形入射窗，比较两个LGAD与同批参考PiN在3–9 MeV α粒子和40 kV X射线下的响应。结论为背面辐照使300 μm LGADs对α粒子增益更高、更均匀且随偏压线性，放大电荷与入射能量线性；背面增益3–4（正面约2），能量分辨率与PiN相当（约1%–2%），表明适当配置下LGAD可在提高信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）的同时不牺牲能谱性能，并适用于低能离子能谱。

关键技术方法（≤250字）：采用IMB-CNM同批300 μm p型高阻晶圆制备的LGAD与参考PiN；LGAD有源区3×3 mm²，倍增层同面积，正面2.3 mm圆形入射窗。α能谱使用Gd-148、Pu-239、Am-241、Cm-244和U-232源（E_α约3.18–8.78 MeV），源与探测器置于真空腔、中心对准、距离约3 cm，入射角<约3°；电子学包括电荷灵敏前放、放大器和多道分析器，参考PiN用于能量刻度，α射程用SRIM模拟。X射线用Amptek Mini-X管，40 kV，管流5–100 μA，测量光电流（photocurrent, I_X）。

3.1 α粒子能谱测量（Alpha spectrometry measurements）：CNM-B7背面电荷谱峰清晰，电荷重心（centroid channel, CC）随偏压呈线性正斜率；正面呈非线性且50 V最高。正面金属/钝化多层使峰退化，3.18 MeV出现两分离峰（约10–15道）；原文认为该峰分离来自死层能量损失差异与增益抑制增强的相互作用，并可能与表面层厚度/均匀性差异有关，其他E_α和PiN未见。增益方面，背面随偏压线性且基本不依赖E_α，正面低偏压增益高并明显依赖E_α；平均增益误差背面更小，说明背面更稳定更高。能量线性E∝E_α，背面斜率对应平均增益，正面斜率因高E_α抑制缓解而高估；CNM-B8重现。能量分辨率（energy resolution, ER）背面LGAD与PiN相近，正面PiN显著优于LGAD；高E_α的ER优于低E_α，与死层能量损失和能量歧离贡献降低有关。通过α源能谱与偏压扫描得出背面可放大信号而不显著增加噪声或退化ER。

3.2 X射线测量（X-ray measurements）：CNM-B7光电流I_X在全耗尽（full depletion）后不出现平台，而随偏压线性，反映倍增层增益；增益对管流I_tube无显著依赖，背面高于正面。深度吸收解释：低能X射线在正面近倍增层吸收，易局部抑制；背面则远离倍增层；高能10–40 keV穿透深、能量沉积分散。背面α与X射线增益很接近，原文认为这提示背面辐照下很少或无增益抑制；正面X射线增益略高于α，符合离子电离密度更高。通过X射线光电流与参考PiN归一化得出上述结论。

讨论部分总结：低能离子硅探测受脉冲高度亏损（pulse height defects）限制，包括入射窗能量损失、载流子复合、等离子体效应和非电离核相互作用；小信号需低噪声，差SNR会损失信号或退化ER。LGAD背面适度电荷倍增可在噪声无法完全降低时提高SNR，前提是增益足够低以限制倍增额外噪声，从而不牺牲低能离子能谱所需ER。潜在应用包括低水平环境辐射监测中的α能谱、半导体制造中薄注入层校准所需的亚MeV低能离子能量测量与计数，以及空间任务中太阳风和行星探测相关的低能离子能谱。

研究结论翻译：研究人员已证明，300 μm厚LGADs背面辐照对α粒子探测产生更均匀稳定的增益，并实现放大电荷与入射粒子能量良好线性。与同一晶圆代工厂（foundry）或其他晶圆代工厂的既往α响应相比，正面辐照增益低于3且随反偏压趋于非线性；本工作背面α探测不仅获得更高增益3–4，而且增益随反偏压线性正斜率。背面α增益与40 kV X射线管X射线增益很相似；带电粒子与光子间无增益差异可能表明300 μm LGADs背面辐照下很少或没有增益抑制。背面能量分辨率与标准PiN探测器相当（约1%），尽管存在3–4适度倍增；表明适当配置时LGAD可在增强SNR的同时不损害能谱性能。与50 μm厚LGAD正面2.3 MeV质子测量中ER约3%–5%、PiN约1%相比，本工作正面α也见类似ER差异。未来可研究不同种类和能量离子增益；并可用不同波长和激光二极管强度的激光诱导瞬态电流等常规光子表征研究背面是否发生增益抑制，以判定300 μm LGADs背面是否在不同类型和强度电离辐射下稳定增益。总体而言，该方法缓解LGADs在高电离密度离子能谱中的一些基本限制，将LGAD技术扩展到计时应用之外，为弱信号、噪声波动或有限计数统计场景的低能离子能谱铺路，包括环境α能谱、半导体制造离子注入诊断和空间低能离子能谱。