Kurzfassung
Im Entwicklungsprozess eines neuen Pixeldetektors für das Phase 2 Upgrade des CMS Experiments, sind mehrere Varianten von neuen n+p, planaren Pixelsensoren mit Pixelgrößen von 50 x 50 μm2 und 25 x 100 μm2 und einer aktiven Dicke von 150 μm2 entworfen und auf ROC4SENS-Auslesechips gebondet worden. Viele Wochen Strahltests mit Sensoren, bestrahlt bis zu Fluenzen von 16E15 Neutronen/cm2, sind am DESY-Teststrahl durchgeführt worden.
In früheren Studien über die Abhängigkeit der Ladungssammlung von der Tiefe im Siliziumsensor wurde die Streifwinkeltechnik angewandt. Diese leidet jedoch bei den dünneren Sensoren stark unter Auflösungseffekten, deshalb wurde die Streifwinkeltechnik zur Edge-on Methode verfeinert, bei der der Strahl parallel zur Sensoroberfläche auf den Sensor trifft und in einer gleichbleibenden Tiefe durch die gesamte Länge des Sensors verläuft.
Die Edge-on Methode wird verwendet, um die Ladungssammlung von 25 x 100 μm2 Pixelsensoren als Funktion der Tiefe für verschiedene Betriebsbedingungen zu messen.
Zusätzlich wird der Einfluss von Strahlungsschäden durch Neutronen mit einer Energie größer als 100 keV und 23 GeV Protonen auf das Ladungssammlungsprofil untersucht.
Die Ladungssammlung in der Tiefe der Sensoren als Funktion der Fluenz und der Biasspannung wird anschließend mit PIXELAV Simulationen verglichen. Aufgrund des ROC4SENS Chips, der keine Ladungsschwelle benötigt, ist es möglich, die Ladungsteilung zwischen benachbarten Pixeln zu untersuchen. Mit dieser sogenannten Edge-on Tomografie kann zum ersten Mal die in den benachbarten Pixeln induzierte negative Ladung sichtbar gemacht werden. Die positionsabhängige Ladungssammlung wird sichtbar und ermöglicht so tiefere Einsicht in die Strahlenschädigung des Sensors.
Desweiteren wurde die Auflösung der Pixelzelle selbst für verschiedene Strahleinfallswinkel ohne ein externes Strahlteleskop als Referenzebene gemessen. Stattdessen werden die Pixel vor und nach dem getroffenen Pixel selbst als Referenz verwendet und ermöglichen so eine Verfolgung der Spur im Silizium, da der Strahl den Sensor parallel zur Oberfläche trifft. Für einen Pixelsensor mit der Pixelgröße 25 x 100 μm2 wurde eine Auflösung von
2.2 μm mit Fehlern im Nanometerbereich bestimmt.
In the development process of a new pixel detector for the Phase 2 upgrade of CMS, several variants of new n+p, planar pixel sensors with pixel sizes of 50 x 50 μm2 and 25 x 100 μm2 and an active thickness of 150 μm have been designed and bump bonded to ROC4SENS read out chips. Many weeks of beam tests with sensors irradiated up to fluences of 16E15 neutrons/cm2 have been completed at the DESY test beam facility. Previous studies into the dependence of charge collection on the depth in the silicon sensor have applied the grazing angle technique. This however suffers a lot from resolution effects with the thinner sensors, therefore the grazing angle technique was refined to the edge-on method, where the beam hits the sensor parallel to the sensor surface and travels at one depth through the entire length of the sensor. The edge-on method is used to measure the charge collection of 25 x 100 μm2 pixel sensors as a function of depth for different operating conditions. Additionally, the influence of radiation damage from neutrons with an energy larger than 100 keV and 23GeV protons on the charge collection profile is investigated. The depth performance of the sensors as a function of fluence and bias voltage is then compared to simulations with PIXELAV. Due to the non-zero suppressed chip, it is possible to investigate the charge sharing between the neighboring pixels without any threshold effects. For the first time, with these so called edge-on tomography plots the negative charge induced in the neighboring pixels can be visualized. The position dependent charge collection can be obtained and provides insight into the radiation damage effects on the sensor. Furthermore, the resolution of the pixel cell itself was measured for different angles of beam incidence without an external beam telescope as a reference plane. Instead the pixels before and after the hit pixel itself are used as reference and thus allow for in-silicon tracking as the beam hits the sensor edge-on. The resolution for a 25 x 100 μm2 pixel sensor was determined to be 2.2 μm with errors on the nanometer level.