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Title
Development of large area silicon sensors for the high granularity calorimeter at CMS / von Elias Pree
Additional Titles
Entwicklung von großflächigen Siliziumdetektoren für das "High Granularity" Kalorimeter von CMS
AuthorPree, Elias
CensorKrammer, Manfred ; Bergauer, Thomas
PublishedWien, 2018
Descriptionvii, 169, 2 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Annotation
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Silizumdetektoren / Kalorimeter
Keywords (EN)Silicon detector / calorimeter
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-116904 Persistent Identifier (URN)
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Development of large area silicon sensors for the high granularity calorimeter at CMS [27.54 mb]
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Abstract (German)

Der Large Hadron Collider (LHC) befindet sich am CERN, der europäischen Organisation für Kernforschung. Der LHC ist der größte Kreisbeschleuniger der Welt. Er beschleunigt Protonen zu einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV und lässt diese kollidieren. Aus diesem Prozess werden grundlegende Informationen über die Wechselwirkung von Teilchen und die fundamentalen Naturgesetze gewonnen. Das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment befindet sich an einem der vier Interaktionspunkte des LHC. Mitte der 2020er Jahre wird die Kollisionsrate am LHC und damit die Menge an gesammelten Daten signifikant erhöht. Durch diese Erhöhung können statistisch seltenere Zerfälle von Teilchen beobachtet und vom Hintergrund besser unterschieden werden. Diese neue Betriebsphase wird High-Luminosity-LHC (HL-LHC) genannt. Um die Detektoren des CMS Experiments in dieser neuen Phase betreiben zu können, müssen einige Systeme erneuert und verbessert werden. Diese Erneuerung wird CMS Phase II upgrade genannt. Ein Teil dieses Projekts ist der vollständige Ersatz der gegenwärtigen elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeterendkappe durch ein komplett erneuertes, innovatives und komplexes System, das High Granularity Calorimeter (HGCal). Das Kalorimeter ist als ein Sampling-Kalorimeter mit einer Gesamtfläche von ungefähr 600 m2 aus planaren, großflächigen Siliziumsensoren als aktivem Detektormaterial konzipiert. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung großflächiger hexagonaler Siliziumdetektoren für das Kalorimeter. Auf Grund der Ergebnisse in dieser Doktorarbeit und der Arbeit des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY), konnte die Standardgröße von Siliziumdetektoren für das HGCal von 6-Zoll auf 8-Zoll erhöht werden. Um die Machbarkeit von 8-Zoll Detektoren für das Kalorimeter zu zeigen, entwickelte der Autor 8-Zoll Demonstrationssensoren für das HGCal. Das Layout der Detektoren wurde durch das Programmieren von Skripten erstellt, welche jedes Polygon jeder einzelnen Detektormaske genau definieren. Die Masken werden für die einzelnen Lithographieschritte in der Produktion der Siliziumdetektoren benötigt. Dieses Design wurde von Infineon Technologies Austria AG verwendet, um 8-Zoll HGCal Demonstrationsdetektoren zu produzieren. Die Dissertation präsentiert die Layoutdetails und vergleicht ausgewählte Detektoren mit Hilfe mehrerer verschiedener Stromund Kapazitätsmesstechniken. Basierend auf dem Erfolg der Demonstrationssensoren wird das Design mit Hilfe von TCAD Simulationen optimiert. Dabei werden Geometrieparameter variiert, um die Hochspannungsfestigkeit der Sensoren zu erhöhen. Diese Information ist ein wertvoller Teil des neuen Prototypdesigns, das vom Author erschaffen wurde. Das optimierte Design wird von allen Herstellern benutzt werden, die HGCal Detektoren mit 192 Pads produzieren. Die Detektoren mit diesem Design sollen letztendlich in das High Granularity Calorimeter eingebaut werden. Detektoren in einem Kalorimeter sind einer hohen Strahlungsbelastung ausgesetzt. Das Verständnis der Auswirkungen von Strahlungsschäden in Silizium und die Beschreibung dieser mit Hilfe von TCAD Simulationen, sind wichtig für die Entscheidung welche Art von Siliziumdetektoren letztendlich für das Kalorimeter benutzt werden. Der Autor untersucht die Auswirkung von Strahlungsschäden in Siliziumdetektoren mit unterschiedlicher Dicke, Resistivität und Polarität des Grundmaterials. Um die Qualität der Simulationsergebnisse zu verbessern, werden Messungen an Teststrukturen durchgeführt, damit für die Simulation relevante Parameter extrahiert werden können. Vier verschiedene Bestrahlungsmodelle werden in Hinblick auf Strom, Kapazität und Ladungssammlungseffizienz nach Bestrahlung verglichen.

Abstract (English)

The Large Hadron Collider (LHC) is located at CERN, the European Organization for Nuclear Research. The LHC is the worlds largest circular particle collider and collides protons at a centre of mass energy of 13TeV. This process gives information about the interaction of particles and provides insights into the fundamental laws of nature. The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment is located at one of the four interaction points of the LHC. The LHC will increase its proton-proton collision rate in the mid 2020s. With the resulting increase of collision data, rare decays of particles can be distinguished from the background more easily. This new phase of operation is called High Luminosity-LHC (HL-LHC). To be able to operate the detectors of the CMS experiment in this new phase, several systems have to be upgraded. This upgrade is called CMS Phase II upgrade. As part of this upgrade, the current electromagnetic and hadronic endcap calorimeter will be replaced with the High Granularity Calorimeter (HGCal). The device is designed as a sampling calorimeter with planar, large-area silicon sensors as active detector material, covering a total area of 600m2. The main goal of this thesis is the development of large hexagonal silicon sensors for the calorimeter upgrade. Because of the work presented in this thesis and the work of the Institut of High Energy Physics (HEPHY), the size of the silicon sensors for the HGCal shifted from 6-inch to 8-inch. To show the feasibility of an 8-inch sensor production, the author designed an 8-inch HGCal demonstrator sensor by the programming of scripts that define the geometry of each polygon of all lithography masks needed for the various production steps of a silicon device. Using this design, Infineon Technologies Austria AG manufactured a batch of 8-inch HGCal demonstrator sensors. The thesis presents the design details and shows a comparison of selected sensors. These sensors are compared using several different measurement techniques, comprising various current and capacitance measurements. Based on the success of the demonstrator, the design is optimised using TCAD simulations. Parameters defining the geometry are varied to optimise the high-voltage stability of the device. This information is a crucial part of a new prototype design created by the author. The design will be used by all vendors producing HGCal sensors segmented into 192 pads. The sensors with the optimised design will be implemented in the High Granularity Calorimeter. Sensors in the calorimeter will be exposed to high irradiation. Understanding and describing the effects of irradiation damage in silicon using TCAD simulations is important for the desicion what kind of silicon sensors to use. The effect of irradiation damage in silicon devices with different thickness, resistivity, and bulk polarity is investigated by the author. To improve the predictive quality of the simulations, test structure measurements are conducted to extract parameters relevant for simulation. Furthermore, several different irradiation models are compared with regard to their ability to reproduce the current, capacitance, and charge collection efficiency after irradiation.

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