Development of LGAD Sensor Technology on 12 inch Wafers for 3D Integration with advanced CMOS processes

In de wereld van de deeltjesfysica gaat zien niet alleen over het vastleggen van een beeld; het gaat over het vastleggen van een moment met onmogelijke precisie. Wanneer subatomaire deeltjes door een detector razen, laten ze vluchtige sporen achter die in een fractie van een seconde verdwijnen. Om het universum te begrijpen, hebben wetenschappers sensoren nodig die niet alleen kunnen registreren waar een deeltje passeerde, maar ook exact wanneer het arriveerde, tot op een biljoenste van een seconde. Decennialang zijn deze sensoren en de elektronische breinen die ze uitlezen als afzonderlijke onderdelen gebouwd en daarna aan elkaar geplakt. Deze scheiding creëert een knelpunt, wat zorgt voor extra omvang en het signaal vertraagt. De nieuwe grens is het samensmelten van deze twee componenten tot één enkele, driedimensionale stapel, waardoor de sensor bijna zonder vertraging rechtstreeks met de processor kan communiceren. Dit vereist een huwelijk tussen twee zeer verschillende technologieën: de delicate, hogesnelheidssensoren die nodig zijn om deeltjes te vangen, en de geavanceerde computerchips die worden gebruikt om gegevens te verwerken, beide geproduceerd op massieve twaalfinch siliconen wafers.

Een team onderzoekers van Fermilab, SLAC National Accelerator Laboratory en Lawrence Livermore National Laboratory heeft een belangrijke stap gezet richting dit doel. Ze hebben succesvol een nieuw type ultrasnelle sensor, een Low Gain Avalanche Diode of LGAD genoemd, ontworpen, gebouwd en begonnen met het testen ervan met behulp van een standaard proces voor de productie van computerchips. Deze sensoren werden geproduceerd op twaalfinch wafers met een zestig nanometer technologie, een schaal die normaal gesproken is voorbestemd voor hoogwaardige elektronica in plaats van deeltjesdetectoren. Het werk van het team bewijst dat het mogelijk is om deze gespecialiseerde sensoren naast de complexe circuits te produceren die nodig zijn om ze uit te lezen, wat de weg vrijmaakt voor een toekomst waarin hele lagen sensoren en processors aan elkaar worden verbonden als glasplaten. Deze integratie belooft detectoren te creëren die dunner, sneller en in staat zijn om deeltjes met ongekende nauwkeurigheid te volgen.

Het project, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, had als doel aan te tonen dat deze geavanceerde sensoren klaar kunnen worden gemaakt voor een laatste assemblage-stap die bekend staat als hybride bonding. In dit proces wordt een volledige wafer van sensoren direct op een volledige wafer van uitleesciruits geplakt, waardoor een naadloze driedimensionale structuur ontstaat. Om hiervoor te worden voorbereid, vervaardigden de onderzoekers drie verschillende versies van de LGAD-sensor op dezelfde siliconen wafer. De eerste was een standaard ontwerp dat een specifieke rangschikking van elektrische ladingen gebruikt om een regio van hoge energie te creëren waar deeltjes gedetecteerd kunnen worden. De tweede versie, bekend als een AC-gekoppelde sensor, scheidt het signaal van de elektrode met een dunne isolatielaag, wat zorgt voor een betere verdeling van informatie tussen naburige pixels. De derde en meest innovatieve versie is de Deep Junction-sensor, die de gevoelige detectielaag diep in het silicon plaatst in plaats van nabij het oppervlak. Deze diepe plaatsing vermijdt elektrische problemen aan de randen van de pixels, waardoor de sensoren veel dichter bij elkaar gepakt kunnen worden zonder prestatieverlies.

Het productieproces was een delicaat evenwichtspel. Het team moest een standaard computerchip-fabrieksstroom, die is ontworend voor logische circuits, aanpassen om de specifieke elektrische condities te creëren die nodig zijn voor deeltjesdetectie. Ze mochten de hoeveelheid energie en de hoeveelheid atomen die in het silicon werd geïnjecteerd aanpassen om de sensoren af te stemmen, maar de basisstappen van het fabrieksproces bleven ongewijzigd. Eén uitdaging was het creëren van de elektrische verbindingen voor de AC-gekoppelde sensoren. De standaard isolatielagen in de chipfabriek waren te dik voor de gebruikelijke methode, dus gebruikte het team vindingrijk de ruimte tussen twee verschillende metaallagen binnen de chip om de benodigde elektrische opslag te creëren. Dit vereiste zorgvuldige aanpassingen om ervoor te zorgen dat de sensoren correct konden functioneren binnen de strikte regels van het chipontwerp.

Om te voorspellen hoe deze sensoren zich zouden gedragen voordat ze zelfs gebouwd waren, draaide het team gedetailleerde computersimulaties. Deze virtuele modellen hielpen hen te begrijpen hoe de elektrische velden door het silicon zouden bewegen en hoe de sensoren zouden reageren op verschillende voltages. De simulaties toonden aan dat de sensoren specifieke spanningsniveaus nodig zouden hebben om correct te werken en dat de dunne laag silicon die in dit proces wordt gebruikt, de sensoren zeer gevoelig maakte voor veranderingen in dat voltage. De computermodellen hielpen het team ook bij het ontwerpen van de beschermende ringen rond de sensoren, om te garanderen dat ze niet zouden doorbreken onder hoge elektrische spanning. Deze simulaties waren cruciaal voor het plannen van de verschillende versies van de sensoren, waardoor de onderzoekers verschillende combinaties van elektrische eigenschappen konden testen zonder tijd en materiaal te verspillen.

Toen de wafers in de laboratoria aankwamen, begon de testfase. De onderzoekers controleerden eerst de basis elektrische gezondheid van de sensoren in het donker en onder licht van een rode LED. Ze vergeleken sensoren met de speciale gain-laag met sensoren zonder deze laag om te meten hoeveel het signaal werd versterkt. De resultaten lieten zien dat de sensoren werkten zoals verwacht, waarbij de AC-gekoppelde versies een bereik aan versterking vertoonden bij voltages tussen 116 en 160 volt. De computersimulaties hadden deze waarden met opmerkelijke nauwkeurigheid voorspeld, meestal binnen tien volt van de werkelijke metingen. Het team stelde ook vast dat de standaard sensoren iets hogere voltages vereisten om te werken dan de AC-gekoppelde versies, een verschil dat werd veroorzaakt door de specifieke elektrische opstelling van het AC-ontwerp.

Om te testen hoe snel de sensoren konden reageren, vuurde het team een laser en een bundel radioactieve deeltjes op de apparaten af. De laserpulsen waren extreem kort, waardoor het team het exacte moment kon meten waarop de sensor reageerde. De resultaten waren indrukwekkend. Voor een kleine sensor bereikte de tijdsresolutie 40 picoseconden, wat 40 biljardste van een seconde is. Toen ze een nog kleinere sensor testten, verbeterde de resolutie naar 23 picoseconden. Deze cijfers bevestigen dat de sensoren de timing van deeltjesgebeurtenissen met de extreme precisie kunnen vastleggen die vereist is voor toekomstige experimenten. De Deep Junction-sensoren, hoewel ze veelbelovend waren met een goede timing en versterking, bleken wat temperamentvoller te zijn. Ze vertoonden een langzame drift in hun elektrische eigenschappen over de tijd, wat gedetailleerde metingen moeilijker maakte, maar ze toonden nog steeds het vermogen om deeltjes effectief te detecteren.

Het werk eindigt niet bij deze eerste tests. De onderzoekers zijn momenteel bezig met het binden van de sensorwafers aan de uitleescircuits om te zien hoe de twee samenwerken in een volledig geïntegreerd pakket. Ze zijn ook van plan om de sensoren te testen onder intense straling om te garanderen dat ze de harde omgevingen van toekomstige deeltjesversnellers kunnen overleven. Een nieuwe partij wafers met licht afwijkende elektrische eigenschappen is al onderweg om het ontwerp verder te verfijnen. Het succes van dit project markeert een keerpunt in de detectortechnologie. Door te bewijzen dat deze hogesnelheidssensoren met standaard computerchip-processen kunnen worden gemaakt en geïntegreerd in driedimensionale stapels, heeft het team de deur geopend naar een nieuwe generatie detectoren. Deze toekomstige apparaten zullen in staat zijn om deeltjes te volgen in vijf dimensies — positie, tijd en hoek — wat een niveau van detail biedt dat nieuwe geheimen over de fundamentele bouwstenen van ons universum zou kunnen onthullen.