Development of Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) for High- and Low-penetrating particles in silicon

Abstract

Aquesta tesi presenta el desenvolupament de detectors de baixa amplificació per avalanxa (LGAD) a l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM). El treball se centra principalment en el disseny, l’optimització i la fabricació de sensors LGAD per a experiments de física d'altes energies (HEP) i, específicament, per a experiments del Gran Col·lisionador d'Hadrons d'alta lluminositat (HL-LHC) al CERN. El HL-LHC té com a objectiu una actualització en els propers anys, augmentant la seva lluminositat per permetre la recopilació de més dades en períodes de temps més curts, la qual cosa, alhora, incrementarà la probabilitat de descobrir noves partícules. Com a conseqüència, els detectors de silici utilitzats en els experiments del HL-LHC han de demostrar una tolerància excepcional a la radiació, així com un rendiment excel·lent de seguiment i temporització per evitar els efectes de superposició (pile-up), sent els LGAD un candidat excel·lent per a complir aquesta tasca ambiciosa. Tot i que el desenvolupament principal dels LGAD s'ha enfocat en experiments de HEP, aquests detectors també ofereixen aplicacions potencials més enllà d’aquest camp. Concretament, els LGAD tenen un gran potencial per a la detecció de partícules de baixa penetració en silici. Per tal d'adaptar-se a aquestes aplicacions, va ser necessari un redisseny dels LGAD, ja que originalment estaven optimitzats exclusivament per a experiments de HEP. Com a resultat, es va desenvolupar el nLGAD a l’IMB-CNM, el qual manté el rendiment excel·lent dels dispositius LGAD tradicionals, però optimitzat específicament per a la detecció de partícules de baixa penetració. El disseny, l'optimització i la fabricació de sensors nLGAD de l’IMB-CNM representen un aspecte significatiu d’aquesta tesi. A més, un LGAD o nLGAD es pot personalitzar tecnològicament per assolir un factor d’ompliment del 100 %, fet que és crucial per a aplicacions que requereixen una sensibilitat millorada dels detectors de silici. Aquesta tesi tractarà específicament el potencial del Trench iLGAD (TiLGAD) per assolir aquest objectiu. En conjunt, aquest treball cobrirà el disseny, la simulació, l'optimització, la fabricació i la caracterització dels sensors LGAD de l’IMB-CNM en diverses configuracions tecnològiques, cadascuna adaptada per abordar qüestions clau en l'àmbit de la detecció de partícules.

Esta tesis presenta el desarrollo de detectores de baja ganancia por avalancha (LGAD) en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM). El trabajo se centra principalmente en el diseño, optimización y fabricación de sensores LGAD para experimentos de física de altas energías (HEP) y, específicamente, para experimentos del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC) en el CERN. El HL-LHC tiene como objetivo una actualización en los próximos años, aumentando su luminosidad para permitir la recopilación de más datos en periodos de tiempo más cortos, lo que, a su vez, incrementará la probabilidad de descubrir nuevas partículas. Como consecuencia, los detectores de silicio utilizados en los experimentos del HL-LHC deben demostrar una tolerancia excepcional a la radiación, así como un rendimiento sobresaliente en términos de seguimiento y temporización para evitar los efectos de superposición, siendo el LGAD un excelente candidato para cumplir con esta ambiciosa tarea. Aunque el desarrollo principal de los LGAD se ha enfocado en experimentos de HEP, estos detectores también ofrecen aplicaciones potenciales más allá de este campo. Concretamente, los LGAD tienen gran potencial para la detección de partículas de baja penetración en silicio. Para acomodar estas aplicaciones, fue necesario rediseñar el LGAD, ya que originalmente estaba optimizado exclusivamente para los experimentos de HEP. Como resultado, se desarrolló el nLGAD en el IMB-CNM, que mantiene el excelente rendimiento de los dispositivos LGAD tradicionales, pero optimizado específicamente para la detección de partículas de baja penetración. El diseño, optimización y fabricación de sensores nLGAD del IMB-CNM representan un aspecto significativo de esta tesis. Además, un LGAD o nLGAD puede personalizarse tecnológicamente para lograr un factor de llenado del 100 %, lo cual es crucial para aplicaciones que requieren una mayor sensibilidad en los detectores de silicio. Esta tesis abordará específicamente el potencial del Trench iLGAD (TiLGAD) para alcanzar este objetivo. En conjunto, este trabajo abarcará el diseño, simulación, optimización, fabricación y caracterización de los sensores LGAD del IMB-CNM en diversas configuraciones tecnológicas, cada una adaptada para abordar cuestiones clave en el ámbito de la detección de partículas.

This thesis presents the development of Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) at the Institute of Microelectronics of Barcelona (IMB-CNM). The work is primarily focused on the design, optimization and fabrication of LGAD sensors for High Energy Physics (HEP) experiments and, specifically, for High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) experiments at CERN. The HL-LHC aims to upgrade in the next few years, increasing its luminosity to enable the collection of more data in shorter time frames which, in turns, will increase the likelihood of new particle discoveries. Consequently, the silicon detectors used in HL-LHC experiments must demonstrate exceptional radiation tolerance as well as tracking and timing performance to prevent pile-up effects, being the LGAD a great candidate to fulfill such zealous task. While the primary focus of LGAD development has been HEP experiments, these detectors also offer potential applications beyond this field. Specifically, LGADs hold promise for detecting low-penetrating particles in silicon. To accommodate these applications, a redesign of the LGAD was necessary, as it was originally optimized exclusively for HEP experiments. As a result, the nLGAD was first developed at IMB-CNM, which retains the excellent performance of traditional LGAD devices while being specifically optimized to detect low-penetrating particles. The design, optimization and fabrication of IMB-CNM nLGAD sensors represent a significant aspect of this thesis. Additionally, an LGAD or nLGAD can be technologically tailored to achieve a fill factor of 100 %, which is crucial for applications requiring enhanced silicon detector sensitivity. This thesis will specifically address the potential of the Trench iLGAD (TiLGAD) in achieving this goal. Overall, this work will cover the design, simulation, optimization, fabrication and characterization of IMB-CNM LGAD sensors across various technological configurations, each tailored to address specific key issues in the realm of particle detection.