Radiation damage of highly irradiated silicon sensors

Abstract

Die heutige Elementarteilchenphysik verlangt nach einer beständigen Erhöhung der Luminosität von Teilchenbeschleunigern um seltene Ereignisse zu untersuchen. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Teilchendetektoren steigen beständig, während die Detektoren immer höheren Fluenzen schädigender Strahlung ausgesetzt sind. Aufgrund seiner hohen Strahlenhärte ist Silizium ein integraler Bestandteil vieler Detektorsysteme. Für diese Arbeit wurden viele fundamentale strahlungsbedingte Änderungen der Materialeigenschaften von Siliziumsensoren bei Neutronen-Äquivalenz-Fluenzen größer als 10^15 cm² experimentell untersucht. Ein Anstieg des Absorptionskoeffizienten von nahem Infrarotlicht wurde gemessen sowie in Abhängigkeit der Fluenz parametrisiert. Die Ergebnisse werden benötigt, um die erzeugte Ladung bei Messungen der Ladungssammlungseffizienz mit nahem Infrarotlicht zu bestimmen. Im Laufe dieser Arbeit wurde ein edge-Transient Current Technique edge-TCT Messaufbau entwickelt und getestet. Der Messaufbau wurde verwendet, um Geschwindigkeits- sowie Ladungsprofile von Streifensensoren zu erstellen. Diese Messungen wurden mit Strom- und Kapazitätsmessungen von Flächendioden verglichen. Für den Strom unter angelegter Spannung in Rückwärtsrichtung wurde ein empirisches Modell entwickelt, das die Messungen innerhalb weniger Prozent beschreibt. Die Parameter des Modells wurden in Abhängigkeit von der Fluenz bestimmt und parametrisiert. Eine Abnahme der Niedrigfeld-Mobilität der Ladungsträger mit der Fluenz wurde gemessen und parametrisiert. Der Strom in Vorwärtsrichtung wird mit einem Raumladungsgesetz beschrieben. Außerdem wurde das Produkt aus der Mobilität und der Einfang-Lebensdauer der Ladungsträger für Streifensensoren unter Spannung in Vorwärtsrichtung bestimmt. Die Messungen zeigen, dass sich das Produkt kaum mit dem elektrischen Feld ändert. Die Ergebnisse stimmen größtenteils mit Messungen der Ladungssammlungseffizienz von Flächendioden überein. Für das Phase II Upgrade des Silizium-Spurdetektors des Compact Muon Solenoid Experimentes wurden die Fotolithografie-Masken für verschiedene Geometrien von strahlungsresistenten Pixelsensoren mit kleinsten Pixelgrößen von 50 x 50 μm² und 100 x 25 μm² für verschiedene Auslesechips sowie verschiedene Teststrukturen programmiert. Die Sensoren wurden hergestellt und werden zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Arbeit getestet. Es wurde eine Methode entwickelt, um den Einfluss der Ausleseelektronik auf gemessene Stromtransienten teilweise zu entfalten. Die vorgestellte Methode ist in der Lage Oszillationen sowie Reflektionen von gemessenen Transienten beträchtlich zu verringern.

Modern particle physics at colliders demands for a continuous increase of the luminosity for colliding particle beams in order to study rare events. The requirements for the performance of the particle detectors are increasing while the detectors are subject to unprecedented fluences of particles. Due to its high radiation-hardness silicon is an integral part of many detector systems in particle physics. This thesis experimentally investigates fundamental, radiation-induced changes of the material properties of silicon sensors for neutron equivalent fluences beyond 10^15 cm². An increase of the absorption coefficient of near-infrared light has been measured and parameterized as a function of the fluence. The absorption coefficient is needed to determine the deposited charge for charge collection efficiency measurements using near-infrared light. An edge-Transient Current Technique edge-TCT setup has been built and commissioned. It has been used to determine velocity profiles and charge profiles in strip sensors. These measurements are compared to current and capacitance measurements of pad diodes. An empirical model for the reverse current of diodes has been developed which describes the measurements within a few percent. The parameters of the model have been obtained and parameterized as a function of the fluence and the temperature. A decrease of the low-field carrier mobilities with fluence has been observed and parameterized. Forward current measurements are described by a model for space-charge-limited currents. For forward-biased strip sensors the product of the trapping times and mobilities has been determined. It was found that this product hardly depends on the electric field. The results mostly agree with the charge collection efficiency of diodes. For the Phase II upgrade of the Compact Muon Solenoid tracking detector at the Large Hadron Collider, photolithography mask layers for different geometries of pixel sensors with pixel dimensions down to 50 x 50 μm² and 100 x 25 μm² for different read-out chips, as well as different test structures have been designed. The sensors have been produced and are undergoing beam tests as of the publication date. Finally, a method for the partial deconvolution of the electronics response from measured current transients is presented which can significantly reduce oscillations and reflections in measurements.