Novel CMOS Devices for High Energy Physics and Medical Applications

Abstract

Els experiments d’alta energia de física (HEP) a col·lisions de partícules demostren la nostra comprensió de l’estructura i la dinàmica de la matèria. Per avançar en el camp, els sistemes d’acceleradors s’actualitzen periòdicament a energies i lluminositats més elevades. Els experiments han de mantenir-se al punt millorant la seva instrumentació de detecció. Els detectors de píxels de silici tenen un paper crític en els experiments HEP. Gràcies a la seva excel·lent resolució de posició, compacitat, velocitat i duresa de la radiació, permeten la reconstrucció de la pista de partícules en entorns d’alta radiació com els col·lisionadors de hadrons. Al seu torn, el seu rendiment permet una excel·lent resolució de paràmetres d’impacte de pista, un ingredient clau per a la identificació de vèrtexs secundaris i l’etiquetatge b del jet. Actualment, el detector estàndard de píxels consisteix en un sensor segmentat, en el qual cada píxel està connectat a un canal de lectura d’un circuit integrat d’aplicacions específiques per a aplicacions (ASIC) mitjançant una tècnica complicada i cara, anomenada enllaç de cop. Un mètode alternatiu per als dispositius de píxels híbrids són els detectors monolítics, que combinen la detecció de partícules i les tasques de processament de senyal al mateix substrat. Aquests tipus de detectors desenvolupats en el procés CMOS han estat utilitzats en el passat, però només recentment es basen en dispositius de radiació durs. sobre aquesta tecnologia s’han proposat. En aquesta tesi s’investiga un primer prototip a mida completa d’un detector monolític desenvolupat en la tecnologia CMOS d’Alta Voltatge (HV-CMOS) com a dispositiu de píxel per a les capes exteriors del futur rastrejador ATLAS actualitzat, que es troba al Gran Col·lisionador d’Hadrons ( LHC) al CERN. A més de l’aplicació d’aquesta tecnologia en experiments HEP, la detecció de fotons de raigs X suaus també s’investiga en una matriu en un dels detectors de píxels HV-CMOS. Per últim, s’explora l’ús de dispositius CMOS per a la detecció de fotons de gairebé infraroig (NIR) amb fotodiode d’Avalanche (APD).

Los experimentos de física de alta energía (HEP) en colisionadores de partículas sondean nuestra comprensión de la estructura y la dinámica de la materia. Para avanzar en el campo, los sistemas de aceleración se actualizan periódicamente a mayores energías y luminosidades. Los experimentos tienen que mantenerse al día, mejorando la instrumentación de su detector. Los detectores de píxeles de silicio desempeñan un papel fundamental en los experimentos con HEP. Gracias a su excelente resolución de posición, compacidad, velocidad y dureza de radiación, permiten la reconstrucción de pistas de partículas en entornos de alta radiación como colisionadores de hadrones. A su vez, su rendimiento permite una excelente resolución de parámetros de impacto en la pista, un ingrediente clave para la identificación secundaria de vértices y el etiquetado de chorro b. Actualmente, el detector de píxeles estándar consta de un sensor segmentado, en el que cada píxel está conectado a un canal de lectura de un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) a través de una técnica complicada y costosa llamada unión por golpes. Un enfoque alternativo a los dispositivos de píxeles híbridos son los detectores monolíticos, que combinan la detección de partículas y las tareas de procesamiento de señales en el mismo sustrato. Estos tipos de detectores desarrollados en el proceso CMOS se han utilizado en el pasado, pero solo relativamente recientemente basados ​​en dispositivos de radiación dura sobre esta tecnología se han propuesto. En esta tesis, se investiga un primer prototipo de tamaño completo de un detector monolítico desarrollado en la tecnología CMOS de alto voltaje (HV-CMOS) como un dispositivo de píxeles para las capas externas del rastreador ATLAS de actualización futura, que se encuentra en el Gran Colisionador de Hadrones ( LHC) en el CERN. Además de la aplicación de esta tecnología en experimentos HEP, la detección de fotones de rayos X blandos también se investiga en una matriz en uno de los detectores de píxeles HV-CMOS. Por último, se explora el uso de dispositivos CMOS para la detección de fotones de infrarrojo cercano (NIR) con Avalanche Photodiode (APD).

High Energy Physics (HEP) experiments at particle colliders probe our understanding of the structure and dynamics of matter. In order to advance the field, the accelerator systems are periodically upgraded to higher energies and luminosities. Experiments have to keep up, by improving their detector instrumentation.

Silicon pixel detectors play a critical role in HEP experiments. Thanks to their excellent position resolution, compactness, speed and radiation hardness, they enable particle track reconstruction in high radiation environments like hadron colliders. In turn, their performance allows excellent track impact parameter resolution, a key ingredient for secondary vertex identification and jet b-tagging.

Currently the standard pixel detector consists of a segmented sensor, in which each pixel is connected to a readout channel of an Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) through a complicated, and expensive, technique called bump bonding.

An alternative approach to hybrid pixel devices are monolithic detectors, which combine the particle sensing and the signal processing tasks in the same substrate.These kinds of detectors developed in the CMOS process have been used in the past, but only relatively recently radiation hard devices based on this technology have been proposed.

In this thesis a first full size prototype of a monolithic detector developed in the High Voltage CMOS (HV-CMOS) technology is investigated as a pixel device for the outer layers of the future upgrade ATLAS tracker, which is located in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN.

Besides the application of this technology in HEP experiments, the detection of soft X-ray photons is also investigated in one matrix in one of the HV-CMOS pixel detectors. Lastly, the usage of CMOS devices for the detection of Near-Infrared (NIR) photons with Avalanche Photodiode (APD) is explored.