Kurzfassung
In der vorliegenden Dissertation wird ein neuartiger Silizium-Spursensor, der sogenannte Enhanced Lateral Drift (ELAD) Sensor vorgestellt. Dieser Sensor wurde entwickelt, um die Anforderungen für die Anwendung in Vertex- und Spurdetektoren zukünftiger, linearer e+e− Collider zu erfüllen. Derzeit gibt es zwei Kandidaten für solche Collider, den International Linear Collider (ILC) und den Compact Linear Collider (CLIC). Die Experimente an beiden Beschleunigern erfordern den Einsatz eines leichtgewichtigen Siliziumvertexdetektors sowie eines großflächigen Siliziumspurdetektors. Für die angestrebte Präzision dieser Detektoren werden Sensoren mit einer Ortsauflösung im Bereich weniger Mikrometer und einem Material Budget von weniger als 2 % einer Strahlungslänge pro Detektorlage notwendig.
Bei den hier entwickelten ELAD Sensoren führt die Aufteilung der ausgelesenen Ladung auf mehrere Pixel zu einer im Vergleich zu üblichen Siliziumdetektoren verbesserten Ort- sauflösung. Diese Ladungsteilung wird durch ein inhomogenes transversales elektrisches Feld innerhalb des Sensors sichergestellt, welches durch Implantierungen mit erhöhten lokalen Dotierungskonzentrationen im Inneren des Sensors erreicht wird.
Simulationen des elektrischen Felds wurden basierend auf Technology Computer-Aided Design (TCAD) für zwei- und dreidimensionale Sensorgeometrien durchgeführt, sowie Sim- ulationen des Teilchendurchgangs für die zweidimensionale Geometrie. Die elektrischen Feldprofile wurden so auf eine gute Ortsauflösung hin optimiert. Die Simulationen zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Ladungsteilungsmechanismus von der Dotierungskonzentration der Implantierungen im Inneren des Sensors. Die hierbei ermittelten, optimalen Werte für die Dotierungskonzentrationen ermöglichen eine nahezu lineare Ladungsaufteilung zwischen zwei benachbarten Ausleseelektroden als Funktion der Einfallposition des Teilchens.
Um die Ortsauflösung von ELAD Sensoren zu bestimmen, wurden Simulationen von Test Beam Messungen unter Verwendung der Software Allpix2 durchgeführt. Hierbei kamen realis- tische elektrische Felder basierend auf TCAD Simulationen von zwei- und dreidimensionalen Sensorgeometrien zum Einsatz. Die Optimierung der Geometrie resultiert in der für diese Technologie bestmöglichen Ladungsteilung und damit der bestmöglichen Ortsauflösung. So kann mittels tiefliegender Implantierungen eine Auflösung von wenigen Mikrometern erreicht werden.
In der vorliegenden Arbeit wird darüber hinaus das mehrstufige Produktionsverfahren, en- twickelt für die Herstellung von ELAD Sensoren, beschrieben. Dieses Verfahren stellt eine neue Methode für die Realisierung inhomogener Dotierungskonzentrationen in einem Sensorvolumen dar.
In this dissertation the concept of a new type of silicon tracking sensor called Enhanced Lateral Drift (ELAD) sensor is presented. This technology is created to meet the requirements for future linear e+e− colliders vertex and tracking detectors. To date, there are two projects for future linear colliders, ILC and CLIC. The physics goals at both experiments demand a lightweight silicon vertex detector and a large area silicon tracker. A spatial resolution of a few micrometres and material budget less than two percent of a radiation length per layer are required. For the ELAD sensors the spatial resolution of the impact position of ionising particles is improved by a dedicated charge sharing mechanism, which is achieved by an inhomogeneous electric field in the lateral direction in the sensor bulk. The inhomogeneous electric field is created by buried doping implants with a higher concentration with respect to the background concentration of the bulk. Electric field simulations based on Technology Computer-Aided Design (TCAD) have been carried out for 2D and 3D geometries as well as transient simulations with a traversing particle for the 2D. The electric field profiles have been further optimised regarding the resulting position resolution. The simulations show a strong dependence of the charge sharing mechanism on the concentrations of the buried implant. Optimal values for this concentration enable a nearly linear charge sharing between two neighbouring readout electrodes as a function of the impact position. To estimate the position resolution of an ELAD sensor, test beam simulations using the AllPix2 software have been performed applying the realistic electric field profiles from the TCAD simulations. In the AllPix2 simulations 2D and 3D electric fields have been used. Results of the geometry optimisation are shown realising an optimal charge sharing and hence position resolution. The position resolution of a few micrometers is expected by using deep implants. A description of the multi-layer production process is given. It represents a new production technique allowing for deep bulk engineering.