Measurements and irradiation analysis of silicon structures for the CMS upgrade

Abstract

Bei dem sich in Genf befindlichen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider LHC werden zwei Protonenstrahlen zur Kollision gebracht, um daraus Elementartalteilchen zu erzeugen. Nach 10 Jahren Betrieb erfolgt mit der Erhöhung der Luminosität ein Upgrade des LHCs, dass zu höherer Strahlungsbelastung der Detektoren führt. Eines der vier Hauptexperimente ist CMS. Es handelt sich dabei um einen Mehrzweckdetektor, der versucht alle Teilchen, die in der Proton- Proton Kollision entstehen, zu identifizieren. Der innerste Teil des CMS Experiments ist ein Halbleiterdetektor, der sogenannte Tracker, der die Spuren der Teilchen identifiziert. Die Lebensdauer des derzeitigen Tracker ist auf die Zeit bis zum LHC Upgrade optimiert und wird dann ersetzt. Eine Arbeitsgruppe, die innerhalb von CMS gegründet wurde, untersucht verschiedene Detektortechnologien. Dazu wurden Wafer mit 6 inch Durchmesser bestellt um ein strahlungshartes Detektordesign für das CMS Upgrade zu ermitteln. Die Testreihe beinhaltet Sensoren als n-in-p und p-in-n Variante mit verschiedenen Dicken von 50 µm bis 320 µm. Weiters wird auch auf Unterschiede in den verschiedenen Siliziumherstellungsverfahren, wie Floating Zone, Magnetic Czochralski and Epitaxiewachstum eingegangen. Als Isolationstechnologie für die n-in-p Sensoren wird p stop und p spray getestet. Die Bestrahlung erfolgt mit Protonen und Neutronen, die der erwarteten Belastung des Upgrades entsprechen. Diese Diplomarbeit beinhaltet die Ergebnisse nicht bestrahlter und mit Neutronen bestrahlter Test Strukturen.<br />

The Large Hadron Collider LHC is a particle accelerator where two beams of protons are colliding. After 10 years of operation, LHC will be upgraded to a higher luminosity. This introduces a more severe radiation environment as it is in the current experiments. One of the main experiments is CMS which is a general purpose detector to identify any particles which are generated in the proton - proton collision. The innermost layer of the CMS detector is the tracker where the particle tracks are determined. It consists of semiconductor detectors which reach their end of lifetime when the upgrade of LHC starts. A campaign within CMS started to investigate different technologies, where 6 inch silicon wafers were ordered to study the radiation hardness. The variety of structures under study concern sensor versions n-in-p and p-in-n in thicknesses from 50 µm to 320 µm. In terms of the sensor material the difference between floating zone, magnetic Czochralski and epitaxial grown silicon is investigated. For the n-in-p sensors also different isolation technologies, p stop and p spray, are tested. The irradiation is performed with protons and neutrons which represents the hadrons that are expected in the CMS tracker after the upgrade. This diploma thesis contains the measurement results of non-irradiated and neutron irradiated Test Structures.