Development of pixel detectors for the IBL and HL-LHC ATLAS experiment upgrade

Abstract

Aquesta tesi tracta el desenvolupament de detectors de silici de tecnologia avançada per experiments de Física d'Altes Energies (HEP en anglès). La mida dels detectors de silici per determinar traces en experiments de HEP ha de disminuïr per millorar la resolució espacial en les mesures i millorar l'ocupancia en l'electrònica. Els experiments al CERN hauran de funcionar amb fluencies de fins a 2·10 16 n eq 1cm2 , i els detectors de silici més petits tindran menys atrapament de les parelles electró-forat generats al volum, que porta a un millor comportament sota un medi amb alts nivells de radiació. Aquesta tesi estudia detectors de silici fabricats al CNM-Barcelona per aplicacions de HEP amb dos tipus d'arquitectura nou: 3D i detectors d'allau amb guany moderat (LGAD en anglès). Els detectors 3D afavoreixen la reducció de la mida de la regió buidada dins del detector i permet treballar a voltatges més baixos, mentres que els detectors LGAD tenen guany intern que incrementa la senyal col·leccionada amb un mecanisme de multiplicació. El capítol 1 introdueix els detectors de silici aplicats a HEP. Els capítols 2 i 3 exploren els dissenys de detectors 3D de silici fabricats al CNM-Barcelona. Els detectors 3D de silici van ser introduïts per primera vegada a un experiment de HEP durant el 2013 per una nova capa del experiment ATLAS, la Insertable B-Layer (IBL), i alguns d'aquests detectors han sigut caracteritzats durant aquest treball. Actualment, detectors 3D de silici amb dimensions de píxel més petites seran operatius per noves posades a punt de l'ATLAS, i aquests detectors s'han simulat en aquest treball. El capítol 4 està dedicat a detectors LGAD segmentats i fabricats en oblies epitaxials amb la intenció de disminuïr el gruix dels detectors i augmentar la càrrega col·leccionada amb el mecanisme de multiplicació. Aquesta tesi mostra simulacions tecnològiques, el procés de fabricació, simulació elèctrica i caracterització elèctrica i de càrrega d'aquests detectors.

This thesis presents the development of advanced silicon technology detectors fabricated at CNM-Barcelona for High Energy Physics (HEP) experiments. The pixel size of the tracking silicon detectors for the upgrade of the HL-LHC will have to decrease in size in order to enhance the resolution in position for the measurements and they need to have better occupancy for the electronics. The future experiments at CERN will cope with fluences up to 2·10 16 n eq 1cm2 , and the smaller 3D silicon detectors will have less trapping of the electron-holes generated in the bulk leading to a better performance under high radiation environment. This thesis studies silicon detectors fabricated at CNM-Barcelona applied to HEP experiments with two different kinds of novel projects: 3D and Low Gain Avalanche Detectors (LGAD). The 3D detectors make it possible to reduce the size of the depleted region inside the detector and to work at lower voltages, whereas the LGAD detectors have an intrinsic gain which increase the collected signal with a multiplication mechanism. Chapter 1 introduces the silicon detectors applied to HEP experiments. Chapters 2 and 3 explore the new designs for 3D silicon detectors fabricated at CNM-Barcelona. 3D silicon detectors were first introduced in a HEP experiment in 2013 for a new ATLAS layer, the Insertable B layer (IBL), and some of them are characterized in this work. Now, it is expected that 3D silicon detectors with smaller pixel size will be operative for the next ATLAS upgrade, and they are also simulated in this thesis. Chapter 4 is devoted to segmented LGAD detectors fabricated on epitaxial wafer with the intention to decrease the thickness of the detector and increase the charge collected with the multiplication mechanism. This thesis shows technological simulations, fabrication process, electrical simulations and electrical and charge characterization of those devices.