Validation of the AllPix2 simulation framework for the development of SiC particle detectors

Abstract

In dieser Arbeit wird die Realisierbarkeit von Simulationen mit dem Monte-Carlo Simulationsprogramms AllPix2 für die Entwicklung neuer Silizium-Karbid (SiC) Teilchendetektoren erforscht. Ein neuer, für die Simulation von SiC geeigneter Parametersatz für das Jacoboni-Canali Mobilitätsmodel wird eingeführt, sowie ein Workflow für die Durchführung von AllPix2 Simulationen mit Felddaten, die aus Simulationen mit der TCAD Simulations-Suite Synopsys stammen, vorgestellt. Unter diesen Voraussetzungen werden Experimente an einem Prototyp-Detektor auf 4H-SiC-Basis mit den Ergebnissen entsprechender AllPix2 Simulationen verglichen.Die verglichenen Größen beinhalten die Charge Collection Efficiency (CCE) für drei verschiedene Arten von Strahlung, UV-Laser, Proton und Alpha-Partikel, sowie die Timing-Leistung des SiC-Detektors unter Verwendung eines UV-Lasers.Der Vergleich der Experimentdaten mit den Ergebnissen der entsprechenden AllPix2 Simulationen zeigt sehr gute Übereinstimmung für die CCE. Die Timing-Leistung der Simulation ist jedoch besser als jene, die für das Experiment beobachtet wird.

In this thesis, the viability of the Monte Carlo simulation framework AllPix2 for the development of silicon carbide (SiC) based particle detectors is explored. A new set of parameters for the Jacoboni Canali charge carrier mobility model, suitable for the simulation of SiC, is introduced. A workflow for running AllPix2 simulations with field data obtained from simulations using the Synopsys TCAD simulation suite is demonstrated. Using this setup, real world experiments on a prototype 4H-SiC detector are compared to the results from corresponding AllPix2 simulations.The evaluated parameters include the charge collection efficiency (CCE) for three different types of radiation, UV-laser, proton and alpha particle, as well as the timing performance of the SiC detector using a UV-laser.Comparison of the experiment data to the results of the corresponding AllPix2 simulations shows very close agreement on CCE. The timing performance of the simulation setups is however larger than that observed in the real world experiment.