Silicon Pixel Sensors in the Inner Tracking System of the CMS Experiment

Abstract

Siliziumsensoren für den Compact Muon Solenoid (CMS) Pixeldetektor sind für eine herausfordernde Umgebung optimiert. Diese Arbeit widmet sich zwei Aspekten von Silizium-Pixelsensoren bei CMS. In den Jahren 2017 und 2018 (Phase-1) lieferte der Large Hadron Collider (LHC) eine instantane Luminosität von bis zu ca. 2 × 10^34 cm^-2 s^-1. Dabei kollidieren Pakete von Protonen bei einer nominellen Frequenz von 40 MHz. Auf diese Weise wurde in der innersten zylindrischen Lage eine 1 MeV Neutronen äquivalente Fluenz φ_eq = 7.9 × 10^14 cm^−2 angesammelt. Die Verarmungsspannungen und Leckströme in der innersten zylindrischen Lage wurden während Phase-1 gemessen und mit Modellvorhersagen verglichen. In dieser Arbeit wurden das Vorhersagemodell überarbeitet und systematische Effekte evaluiert. Der größte Teil dieser Arbeit widmet sich Siliziumsensoren für das Phase-2 Upgrade des CMS Pixeldetektors. Der neue Detektor soll den jetzige ersetzt haben, wenn der High-Luminosity LHC (HL-LHC) Mitte der 2020er Jahre in Betrieb geht. Der HL-LHC wird eine instantane Luminosität von bis zu ca. 7.5 × 10^34 cm^−2 s^−1 erreichen. In der innersten zylindrischen Lage des Pixeldetektors wird nach 3000 fb^−1 integrierter Luminosität eine Fluenz φ_eq = 2.3 × 10^16 cm^−2 erwartet. Um die erwartete Dichte von Teilchenspuren zu bewältigen, werden die neuen Pixelsensoren Pixel mit einer Größe von 25 × 100 μm^2 oder 50 × 50 μm^2 haben. Das endgültige Sensordesign ist Gegenstand eines intensiven Forschungs- und Entwicklungsprogramms für planare und 3D-Sensoren mit verschiedenen Herstellern. In dieser Arbeit werden 150 μm dicke planare n^+p Sensoren untersucht, die von Hamamatsu Photonics K.K hergestellt wurden. Diese Sensoren sind mit dem ROC4SENS Auslesechip verbunden und werden in einem Elektronenstrahl mit einer Energie von ungefähr 5 GeV am Deutsches Elektronen-SYnchrotron (DESY) getestet. Observablen wie die Clustergröße, die Signalstärke, das Rauschen, die Nachweiseffizienz und das räumliche Auflösungsvermögen werden rekonstruiert und als Funktion der Betriebsspannung und des Winkels zwischen Sensor und Strahl untersucht. Sensormodule werden vor und nach Bestrahlung mit Protonen bis φ_eq = 5.4 × 10^15 cm^−2 und Reaktorneutronen bis φ_eq = 14.4 × 10^15 cm^−2 getestet. Trifft der Strahl den Sensor parallel zu seiner Normalen, sind Betriebsspannung zwischen 400 V und 500 V nötig, um nach Bestrahlung eine Nachweiseffizienz von 99 % zu erreichen. Damit sind die Anforderungen für die zweite zylindrische Lage des neuen Detektors erfüllt. Für den optimalen Winkel zwischen Strahl und Sensor, ist das räumliche Auflösungsvermögen von Sensoren mit 50 × 50 μm^2 Pixeln 4.0 μm vor und 5.7 μm nach Protonenbestrahlung mit φ_eq = 2.3 × 10^15 cm^−2 .

Silicon sensors for the Compact Muon Solenoid (CMS) pixel detector are optimized to operate in a challenging environment. This work addresses two topics, related to silicon pixel sensors in CMS. Through 2017 and 2018 (Phase-1) the Large Hadron Collider (LHC) provided a peak instantaneous luminosity of about 2 × 10^34 cm^−2 s^−1 , colliding bunches of protons at a nominal frequency of 40 MHz. A 1 MeV neutron equivalent fluence φ_eq = 7.9 × 10^14 cm^−2 accumulated in the innermost barrel layer of the pixel detector. Full-depletion voltage and leakage current of the pixel sensors were measured through Phase-1 and compared to model predictions. In this work, the model for these predictions is revised, and systematic effects in the measurements are evaluated. The bigger part of this work is about silicon sensors for the Phase-2 Upgrade of the CMS pixel detector. As part of this upgrade, the current pixel detector will be replaced by the mid-2020s, when the High-Luminosity LHC (HL-LHC) starts operation. The HL-LHC will deliver a peak instantaneous luminosity up to 7.5 × 10^34 cm^−2 s^−1 , and a fluence φ_eq = 2.3 × 10^16 cm^−2 is expected in the innermost barrel layer of the pixel detector after 3000 fb^−1 of integrated luminosity. To cope with the expected track densities, the new pixel sensors will have pixel sizes of either 25×100 μm^2 or 50×50 μm^2. The final sensor design is subject to an intensive R&D program for planar and 3D sensors manufactured at various vendors. In this work, planar n^+p sensors with a thickness of 150 μm manufactured by Hamamatsu Photonics K.K are investigated. The investigated sensors are bump-bonded to the ROC4SENS readout chip and tested in an electron beam with energies of about 5 GeV at Deutsches Elektronen-SYnchrotron (DESY). Observables like cluster size, signal, noise, hit efficiency and spatial resolution are reconstructed and investigated as a function of the bias voltage and beam incidence angle. Sensor modules are tested before and after irradiation with protons to φ_eq = 5.4 × 10^15 cm^−2 , and reactor neutrons to φ_eq = 14.4 × 10^15 cm^−2. For beam incidence parallel to the sensor normal, bias voltages of 400 V to 500 V suffice to reach hit efficiencies of 99 % after irradiation, meeting the requirements for the second layer of the upgraded detector. The hit resolution for sensors with 50 × 50 μm^2 pixels is found to be 4.0 μm before and 5.7 μm after proton irradiation to φ_eq = 2.3 × 10^15 cm^−2 at the optimal track angle.