Fast and radiation hard silicon hybrid detectors for the LHC-b Upgrade II

Abstract

High radiation tolerance will be a key prerequisite for the vertex detectors in future hadron-collider experiments such as the LHCb Upgrade II. It is therefore of utmost importance to understand the effects radiation has on the sensor performance and how they can be mitigated.The main scope of this thesis is the study of planar hybrid silicon sensors in the fluence range of the LHCb Upgrade II using measurements combined with TCAD simulations to understand the sensor behaviour at these fluences and provide possible detector scenarios for further radiation reduction.Several test structures with a thickness of 50, 100, 200 and 300 μmrespectively were produced and characterised before irradiation by IV and CV measurement. The results were compared to simulations and used to validate the used sensor model for further simulations. A comprehensive radiation campaign with proton and neutron irradiation was done covering a fluence range from 1 × 10^15 neq cm^2 to 1 × 10^17 neq cm^2. After irradiation the change of leakage current and sensor signal was studied as a function of thickness and fluence. All measurements were compared to simulation using a state-of-the art radiation damage model. In addition, a fast simulation tool was developed to study possible new detector layouts and validate their performance, in particular in terms of impact parameter resolution. Using this tool, alternative detector layouts were proposed, which would reduce the radiation damage of all sensors in the detector. An extensive discussion of the impact of the RF-foil on the impact parameter resolution of the detector is also presented.

Eine hohe Strahlungstoleranz wird eine entscheidende Voraussetzung für die Vertex-Detektoren in zukünftigen Hadronen-Beschleuniger-Experimenten wie dem LHCb Upgrade II sein. Daher ist es von größter Bedeutung, die Auswirkungen der Strahlung auf die Sensorleistung zu verstehen und zu ergründen, wie diese gemindert werden können. Der Hauptgegenstanddieser Arbeit ist die Untersuchung planarer Hybrid-Siliziumsensoren im Fluenzbereich des LHCb Upgrade II durch Verwendung von Messungen in Kombination mit TCAD Simulationen. Diese Daten würden dann genutzt um das Sensorverhalten bei diesen Fluenzen zu verstehen und mögliche Detektorszenarien für eine weitere Strahlungsreduzierung vorzuschlagen.Es wurden mehrere Teststrukturen mit einer Dicke von jeweils 50, 100, 200 und 300 μm hergestellt und vor der Bestrahlung durch IV- und CV-Messung charakterisiert. Die Ergebnisse wurden mit Simulationen verglichen und zur Validierung des verwendeten Sensormodells für weitere Simulationen verwendet. Es wurde eine umfassende Strahlungskampagne mit Protonen und Neutronenbestrahlung durchgeführt, die einen Fluenzbereich von 1×10^15 neq cm^2 bis 1 × 10^17 neq cm^2 abdeckte. Nach der Bestrahlung wurde die Änderung des Leckstroms und des Sensorsignals als Funktion von Dicke und Fluenz untersucht. Alle Messungen wurden mit Simulationen unter Verwendung eines Strahlungsschadensmodells verglichen. Darüber hinaus wurde ein schnelles Simulationstool entwickelt, um mögliche neue Detektorlayouts zu untersuchen und deren Leistung, insbesondere im Hinblick auf die Auflösung des Stoßparameter, zu validieren. Mit diesem Tool wurden alternative Detektorlayouts vorgeschlagen, die den Strahlungsschaden aller Sensoren im Detektor reduzieren würden. Außerdem wird der Einfluss der RF-Folie auf die Auflösung des Stoßparameter des Detektors ausführlicherörtert.