超薄低增益雪崩二极管（LGAD）传感器在强辐射环境中的4D追踪技术：前沿进展与未来展望

这篇综述系统总结了CSN5 eXFlu项目的突破性成果，重点探讨了活性层厚度15-45 μm的超薄低增益雪崩二极管（LGAD）传感器在时间分辨率（达12.2 ps）和辐射耐受性（2.5×1015 neq/cm2）方面的卓越表现。通过碳硼共植入（CBL）创新工艺和补偿型LGAD设计，为未来高能强子对撞机的4D粒子追踪提供了关键技术路径。

　　

1 The EXFLU1 batch

低增益雪崩二极管（LGAD）作为n-in-p型硅传感器，通过p⁺（通常为硼）掺杂在n⁺⁺电极附近形成局部高电场，实现10-30倍电荷载流子可控倍增。FBK（Fondazione Bruno Kessler）在2022年发布的EXFLU1批次中，活性层厚度从45 μm突破至15 μm，结合沟槽隔离（trench-isolated）和电阻读出等创新设计，将时间分辨率推进至30 ps量级。值得注意的是，薄层传感器通过外延生长技术实现精准厚度控制，但伴随电荷量减少和电容上升的双重挑战。

2 Timing resolution from thin LGAD sensors

时间分辨率的核心影响因素包括电子噪声（jitter）和粒子沉积能量非均匀性。在DESY的4 GeV电子束测试中，20 μm传感器展现出16.6 ps的惊人性能，双平面组合系统更将指标提升至12.2 ps。测试采用470 Ω跨阻放大器和2 GHz带宽的Cividec C1放大器，通过30%恒定分数算法提取时间信息。值得注意的是，15 μm传感器因信号上升时间快于350 ps的读出链极限而未能测试，而45 μm传感器在β粒子测试中作为参照，验证了厚度与时间分辨率的线性关联。

3 Radiation hardness of the EXFLU1 sensors

辐射耐受性研究揭示了碳硼共植入（CBL）工艺的革命性优势：通过低温同步退火，使受主移除系数（c_A）较传统碳高硼低退火（CHBL）工艺降低50%。电容-电压（C-V）特性分析采用四种创新方法：线性交点法、固定电容法、1/C²-V导数极值法和最大电阻法。在2.5×10¹⁵ n_eq/cm²注量下，-35°C至-50°C低温环境中传感器仍保持稳定性能。

4 The eXFlu outcomes

研究证实20 μm薄层LGAD在5-8 fC电荷量下可实现亚20 ps时间分辨率，但需匹配高功耗宽带电子学系统。面向未来10¹⁷ n_eq/cm²量级的极端辐射环境，补偿型LGAD通过p型（硼）与n型（磷）掺杂的精准平衡，开创了辐射缺陷自补偿新机制。这些突破为高亮度LHC升级和未来环形对撞机（FCC）的4D顶点探测器奠定了材料基础。