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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-82734
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8273/


Köhler, Michael

Double-sided 3D silicon detectors for the high-luminosity LHC

Doppelseitige 3D-Siliziumdetektoren für den High-Luminosity LHC

Dokument1.pdf (15.426 KB) (md5sum: f3aaabb673ed9a4a55ce61e920223f0e)

Kurzfassung in Englisch

To extend the physics potential of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, the European Organization for Nuclear Research, a luminosity upgrade is planned. The HL-LHC (High-Luminosity LHC) is foreseen to start operation approximately in the year 2024. The peak instantaneous luminosity will be increased by a factor of five compared to the design specification of the LHC. The increased track density requires a finer segmentation of the detectors employed to investigate the particle collisions. Over the projected lifetime of the HL-LHC, the tracking detectors will have to withstand a five to ten times higher radiation dose than that at the LHC. In silicon detectors, radiation damage increases the leakage current, the effective doping concentration and the charge carrier trapping probability. These effects lead to a decrease of the signal-to-noise ratio after high radiation fluences.

As the silicon detectors currently installed in the LHC experiments are not expected to be sufficiently radiation tolerant for the HL-LHC, novel detector technologies are under study. In the current ATLAS detector at the LHC, planar n-in-n silicon pixel detectors and planar p-in-n silicon strip detectors are used. For the ATLAS upgrade, planar silicon n-in-p detectors are foreseen for the region to be equipped with strip detectors. In the inner pixel layer, which is closest to the interaction point, the detectors will have to withstand an unprecedentedly high radiation fluence of 2x10^16 n_eq/cm^2 (1 MeV neutron equivalent particles per square centimetre). An option for extremely radiation hard detectors are 3D detectors with columnar electrodes etched into the substrate perpendicular to the surface. In contrast to traditional planar detectors, where the electrodes are limited to the detector surface, the electrodes of 3D detectors extend into the third dimension, i.e. into the detector depth.

In 3D detectors, the distance for drift of generated charge carriers and for depletion is given by the spacing between columnar electrodes of opposite doping types rather than by the detector thickness as in planar detectors. Therefore, enhanced radiation hardness is expected due to reduced trapping and a reduced depletion voltage, while the total ionised charge is determined by the substrate thickness. As a simplification of the original 3D detector design, double-sided 3D detectors have been developed. The electrodes pass through the substrate only partially, which increases the mechanical stability and simplifies the fabrication technology.

In this thesis, the performance of double-sided 3D detectors is investigated in detail for the first time. The measurements were performed with strip detectors: on one side of the sensors, the columnar electrodes are connected to 4-8 mm long strips. The response of the detectors to high-energy pions, electrons emitted by a beta source and an infrared laser is studied. Special emphasis is put on signal measurements as a function of the particle's point of incidence. Also, detailed noise measurements were conducted. In order to investigate the radiation hardness of the detectors, they were irradiated with protons up to fluences that are expected for the HL-LHC inner pixel layers. The measurements were performed before any radiation-induced modification of the detector properties and after irradiation to different fluences. The dependence of the detector performance on the radiation fluence was measured separately with 3D detectors in n-in-p and in p-in-n layout. A comparison of the radiation hardness of the two designs is presented. Furthermore, the radiation hardness of planar n-in-p detectors is studied and compared to double-sided 3D detectors.

A focus of this thesis is the investigation of charge multiplication effects, which can occur in the presence of high electric fields and which enhances the measured signal. While multiplication of the liberated charge carriers does not occur in conventional silicon tracking detectors before any radiation-induced modification of the detectors, it was recently observed in highly irradiated detectors. The high electric fields present in 3D detectors lead to an enhanced charge multiplication probability. Implications of charge multiplication on the detectors' signal and noise are studied.


Kurzfassung in Deutsch

Um das Potential des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN, der europäischen Organisation für Kernforschung, zu erweitern, ist ein Luminositäts-Upgrade geplant. Dieser HL-LHC (High-Luminosity LHC) wird seinen Betrieb voraussichtlich im Jahr 2024 aufnehmen. Die maximale Luminosität wird um einen Faktor fünf, verglichen mit dem LHC, erhöht werden. Die erhöhte Dichte an Teilchenspuren verlangt eine feinere Segmentierung der zur Untersuchung der Teilchenkollisionen eingesetzten Detektoren. Über die gesamte Laufzeit des HL-LHC werden die Spurdetektoren eine Strahlenbelastung überstehen müssen, die fünf bis zehn mal so hoch ist wie die am LHC. In Siliziumdetektoren erhöht Strahlenbelastung den Leckstrom, die effektive Dotierungskonzentration und die Einfangwahrscheinlichkeit von freien Ladungsträgern. Diese Effekte führen zu einer Degradierung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses.

Da die Siliziumdetektoren, die gegenwärtig in den LHC-Experimenten eingesetzt werden, nicht ausreichend strahlentolerant für den HL-LHC sind, werden neuartige Detektortechnologien untersucht. Im gegenwärtigen ATLAS-Detektor am LHC werden planare n-in-n Silizium-Pixeldetektoren und planare p-in-n Silizium-Streifendetektoren verwendet. Für das ATLAS-Upgrade ist geplant, den Bereich der Streifendetektoren mit planaren n-in-p Siliziumdetektoren auszurüsten. Detektoren der innersten Pixellage, die am dichtesten am Teilchen-Kollisionspunkt gelegen ist, werden eine enorme Strahlenbelastung von 2x10^16 n_eq/cm^2 (1 MeV Neutronen-Äquivalent pro Quadratzentimeter) tolerieren müssen. Eine Option für extrem strahlentolerante Detektoren sind 3D-Detektoren mit säulenförmigen Elektroden, die senkrecht zur Oberfläche in das Siliziumsubstrat geätzt sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen planaren Detektoren, in denen die Elektroden auf die Detektor-Oberflächen begrenzt sind, sind die Elektroden in 3D-Detektoren in die dritte Dimension, also in die Tiefe des Detektors, ausgedehnt.

In 3D-Detektoren ist die Driftstrecke der erzeugten Ladungsträger und die Weite der Verarmungszone durch den Abstand der säulenförmigen Elektroden gegeben, und nicht durch die Detektordicke wie in planaren Detektoren. Daher wird gesteigerte Strahlentoleranz erwartet aufgrund geringeren Einfangens von Ladungsträgern (Trapping) und einer geringeren Verarmungsspannung, während die Menge der ionisierten Ladung durch die Detektordicke gegeben ist. Als Vereinfachung des ursprünglichen 3D-Detektordesigns wurden doppelseitge 3D-Detektoren entwickelt. In diesen durchdringen die Elektroden das Substrat nur teilweise, wodurch die mechanische Stabilität erhöht und die Herstellung vereinfacht wird.

In dieser Arbeit wird das Verhalten von doppelseitigen 3D-Detektoren zum ersten Mal detailliert untersucht. Die Messungen wurden mit Streifendetektoren durchgeführt: Auf einer Oberfläche der Detektoren sind die säulenförmigen Elektroden zu 4-8 mm langen Streifen verbunden. Das Signal der Detektoren für hochenergetische Pionen, von einer Betaquelle emittierte Elektronen und einen Infrarot-Laser wird untersucht. Besonderes Interesse wird auf die Untersuchung des Signals in Abhängigkeit des Auftreffpunktes der Teilchen gelegt. Ebenso wurden detaillierte Rausch-Messungen durchgeführt. Um die Strahlentoleranz der Detektoren zu untersuchen, wurden sie mit Protonen bestrahlt, wobei die maximale Fluenz der innersten Pixellage am HL-LHC entspricht. Die Messungen wurden vor Bestrahlung und nach Bestrahlungen mit verschiedenen Fluenzen durchgeführt. Die Abhängigkeit des Detektorverhaltens wurde separat mit 3D-Detektoren in n-in-p und p-in-n Struktur gemessen. Ein Vergleich der Strahlenhärte der beiden Strukturen wird präsentiert. Des Weiteren wird die Strahlenhärte von planaren n-in-p Detektoren untersucht und mit 3D-Detektoren verglichen.

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von Ladungsmultiplikations-Effekten, die bei hohen elektrischen Feldern auftreten können und das gemessene Signal verstärken. Während Multiplikation von Ladungsträgern in herkömmlichen Silizium-Spurdetektoren ohne strahleninduzierte Veränderung nicht auftritt, wurde sie unlängst in stark bestrahlten Detektoren beobachtet. Das hohe elektrische Feld in 3D-Detekoren bewirkt eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für Ladungsmultiplikation. Auswirkungen von Ladungsmultiplikation auf das Signal und das Rauschen der Detektoren werden untersucht.


SWD-Schlagwörter: Teilchendetektoren , Siliziumdetektoren , Strahlenhärte
Freie Schlagwörter (englisch): particle detectors , silicon detectors , radiation hardness
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Jakobs, Karl (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.09.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 16.09.2011
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