Development of Silicon Detectors for the High-Luminosity LHC

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN will be upgraded to a High Luminosity LHC in the year 2022, increasing the instantaneous luminosity by a factor of five. This will have major impacts on the experiments at the LHC, such as the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, and especially for their inner silicon tracking systems. Among other things, the silicon sensors used therein will be exposed to unprecedented levels of radiation damage, necessitating a replacement of the entire tracking detector. In order to maintain the excellent current performance, a new tracking detector has to be equipped with sensors of increased radiation hardness and higher granularity. The CMS experiment is undertaking an extensive R&D campaign in the search for the future silicon sensor technology baseline to be used in this upgrade. This thesis presents two methods suitable for use in this search: finite element TCAD simulations and test beam measurements.

The simulations are focussed on the interstrip capacitance between sensor strips and are compared to measurements before and after the inclusion of radiation damage effects. A geometrical representation of the strip sensors used in the campaign has been found, establishing the predictive power of simulations.

The test beam measurements make use of the high-precision pixel telescopes available at the DESY-II test beam facility. The performance of these telescopes has been assessed and their achievable pointing resolution has been found to be below 2 μm. Thin, epitaxial silicon is a candidate material for usage in radiation hard sensors for the future CMS tracking detector. Sample strip sensors of this material have been irradiated to fluences of up to 1.3 × 10^{16} neq/cm^2 with 800 MeV or 23 GeV protons. Test beam measurements with 5 GeV electrons have been performed to investigate the radiation hardness of epitaxial sensors using the pixel beam telescopes. The epitaxial device under test (DUT) has been integrated into the telescope and its software analysis framework. An alignment of DUT and telescope planes has been performed and traversing particle tracks reconstructed for the sensor analysis. Results show that the achievable resolution in the epitaxial silicon strip sensors is at the binary level. The measured charge collection efficiency for p-bulk sensors amounts to 80 % of pre-irradiation levels for fluences of 3 × 10^{15} neq /cm^2 and to over 65 % for Φ = 1.3 × 10^{16} neq /cm^2. Signal-to-noise levels at these fluence levels are 7.4 and 3.8, respectively. With particle tracks of various inclinations, the sharing of charge between sensor strips is investigated. Indications of possible charge losses at the sensor surface are described and evidence of commencing charge multiplication effects is presented. Sensors are also compared to thicker, non epitaxial sensors irradiated to the same fluence. From the obtained results, acquired from the first test beam measurements of irradiated epitaxial sensors ever performed, a complete picture of this material has been gained. It can be concluded that thin, p-bulk epitaxial silicon is sufficiently radiation hard for usage as an outer pixel detector sensor material.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN wird im Jahr 2022 zum High Luminosity LHC (HL-LHC) erweitert, indem die instantane Luminosität um den Faktor fünf erhöht wird. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Experimente am LHC, wie zum Beispiel das CMS Experiment, insbesonders auf deren Spurdetektoren. Die dort verwendeten Siliziumsensoren werden erheblichen Strahlenschädigungen ausgesetzt, wodurch ein Komplettaustausch des Detektors notwendig wird. Um die gegenwärtige, ausgezeichnete Leistung des Spurdetektors auch im HL-LHC beibehalten zu können, muss dieser mit noch strahlenhärteren Sensoren ausgestattet werden, die zudem noch eine erhöhte Granularität aufweisen. Eine Forschungskampagne innerhalb des CMS Experimentes sucht derzeit nach einer geeigneten Technologie für die zukünftigen Siliziumsensoren. Die vorliegende Arbeit ist Teil dieses Projektes und benutzt zwei Methoden zur Untersuchung von Sensoreigenschaften: TCAD Simulationen und Teststrahlmessungen.

Die Simulationen beschränken sich auf die Zwischenstreifenkapazität in Streifensensoren und werden mit Messungen vor und nach Bestrahlung verglichen. Es wurde eine Struktur gefunden, die den in dieser Kampagne verwendeten Sensoren entspricht, und dadurch die Vorhersagefähigkeit von Simulationen erhöht.

Für die durchgeführten Teststrahlmessungen wurden die Präzisionsteleskope verwendet, die am DESY-II Teststrahl zur Verfügung stehen. Systematische Untersuchungen dieser Teleskope wurden durchgeführt und resultieren in einer Vorhersagegenauigkeit von unter 2 μm am Punkt des Testsensors. Dünnes, epitaktisch gewachsenes Silizium könnte ein geeignetes strahlenhartes Sensormaterial für den zukünftigen CMS Spurdetektor sein. Sensoren dieses Materials wurden mit 800 MeV oder 23 GeV Protonen bis zu Fluenzen von 1, 3 × 10^{16} neq /cm^2 bestrahlt. Um die Strahlenhärte von epitaktischen Sensoren zu bestimmen, wurden sie unter Verwendung der Teleskope mit 5 GeV Elektronen im DESY-II Teststrahl vermessen. Die Sensoren wurden in die Teleskope und in deren Auslese- und Analysesoftware integriert. Eine Präzisionsausrichtung von Sensoren und Teleskop wurde durchgeführt und durchquerende Teilchenspuren zur Sensoranalyse rekonstruiert. Die Analyseergebnisse zeigen, dass die epitaktischen Sensoren eine binäre Auflösung erreichen. Die gemessene Ladungssammlungseffizienz für p-Typ Sensoren beträgt für eine Fluenz von 3 × 10^{15} neq /cm^2 80 % des vor der Bestrahlung gemessenen Wertes. Für Fluenzen der Größe Φ = 1, 3 × 10^{16} neq /cm^2 beträgt dieser Wert 65 %. Mit Teilchenspuren aus verschiedenen Einfallswinkeln wird die Ladungsteilung zwischen Streifen untersucht, Indizien von Ladungsverlusten an der Sensoroberfläche werden beschrieben und Anzeichen von beginnender Ladungsmultiplikation aufgezeigt. Die epitaktischen Sensoren werden außerdem mit dickeren, nicht epitaktischen Sensoren gleicher Fluenz verglichen. Aus den gewonnen Daten kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass dünnes, epitaktisch gewachsenes p-Typ Silizium ausreichend strahlenhart für einen Einsatz als Sensormaterial in den äußeren Lagen des Pixeldetektors ist.