Kurzfassung
F¨ur das Phase-2 Upgrade des inneren Spurdetektors des Compact Muon Solenoid (CMS)
Detektors werden Siliziumsensoren in Betracht gezogen. Die hohe Strahlenbelastung im
Detektor ver¨andert die Sensoren und verschlechtert ihre Betriebseigenschaften. In diesem
Zusammenhang werden zwei Arten von Sensoren untersucht: Planare Dioden und hybride
Pixelsensoren. Beide Sensortypen wurden von Hamamatsu Photonics K.K auf demselben
Wafer produziert und haben eine Dicke von 150 µm. Die Sensoren wurden in derselben
Bestrahlungseinrichtung mit 23 MeV Protonen bestrahlt.
Die Transient Current Technique mit α-Teilchen wurde genutzt, um die Ladungssamm-
lungseffizienz (CCE) zweier bestrahlter Dioden nahe an den n
+ und p
+ Implantierun-
gen zu messen. Die Dioden wurden zu 1 MeV Neutronen ¨aquivalenten Fluenzen von 2
und 8 × 1015 cm−2 bestrahlt. An der n
+ Implantierungen ist, unabh¨angig von der an-
gelegten Spannung, die mit α-Teilchen gemessene CCE h¨oher als die mit rotem Laserlicht
gemessene. Indem die Energie der α-Teilchen reduziert wird, gleichen sich die gemessenen
CCEs an. Das Ergebnis l¨asst sich mit einer ”
inaktiven Region“, in der die CCE reduziert
ist, erkl¨aren. Es wird ein Model entwickelt, mit dem sich die Breite und die CCE in dieser
Region bestimmen lassen.
Als n¨achstes werden Ladungssammlungsprofile unbestrahlter und bestrahlter Dioden
mit einem 5.2 GeV Elektronenstrahl gemessen, wobei der Strahl parallel zur Ausleseelek-
trode der Diode ausgerichtet ist. Das Profil der CCE als Funktion der Tiefe wird durch
Entfaltung aus den gemessenen Ladungssammlungsprofilen extrahiert. Die Ergebnisse
werden mit Simulationen verglichen, denen drei unterschiedliche Modelle f¨ur Strahlen-
sch¨aden aus der Literatur zugrunde liegen.
Die zweite H¨alfte dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung hybrider Pix-
elmodule im Teststrahl und im Labor. Planare Sensoren mit verschiedenen Designs
und Pixelgr¨oßen von 25 × 100 µm2 und 50 × 50 µm2 werden per “bump bonding” mit
dem RD53A Auslesechip verbunden. Um Gr¨oßen wie die Nachweiseffizienz, das r¨aum-
liche Aufl¨osungsverm¨ogen und die Clustergr¨oße zu extrahieren, werden die bestrahlten
und unbestrahlten Module am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) mit einem
5.2 GeV Elektronenstrahl getestet. Die Sensoren sind bis zu 1 MeV Neutronen ¨aquiva-
lente Fluenzen von 2 × 1016 cm−2 bestrahlt. Alle bestrahlten Module, bis auf jene mit
einem “bias-dot”, erreichen Nachweiseffizienzen von 0.98 bei Spannungen unter 800 V.
Das ermittelte r¨aumliche Aufl¨osungsverm¨ogen reduziert sich nach der Bestrahlung wegen
einer Reduktion der Clustergr¨oße.
Aufgrund des Versatzes zwischen der Segmentierung des Sensors (25×100 µm2
) und des
Auslesechips (50×50 µm2
) kommt es zu einem Ubersprechen benachbarter Pixel. Dies bee- ¨
influsst die Trefferrekonstruktion in dem Sensor, sodass sich das r¨aumliche Aufl¨osungsverm¨ogen
verschlechtert. In dieser Arbeit wird das Ubersprechen verschiedener Sensortypen mithilfe ¨
von Ladungsinjektion charakterisiert.
Silicon sensors are considered for the Phase-2 upgrade of the Inner Tracker of the Compact Muon Solenoid (CMS) detector. The high radiation environment changes the properties of the sensors and degrades their performance. In this regard, two types of sensors are studied: pad diodes and hybrid pixel sensors. Both types of sensors are p-type with a thickness of 150 µm produced by Hamamatsu Photonics K.K on the same wafer. Sensors are irradiated with 23 MeV protons at the same irradiation facility. Using Transient Current Technique with α-particles and red-light laser, Charge Collec- tion Efficiency (CCE) of two irradiated pad diodes are measured close to their n + and p + implants. Irradiation is done at 1 MeV neutron-equivalent fluences of 2 and 8×1015 cm−2 . For the n + implant, CCE measured by α-particles shows a higher value than measure- ments with a red-light laser for all bias voltage. By reducing the energy of α-particles, CCE results became similar to the CCE measured by a red-light laser. The results can be understood by assuming a ”non-active region” with a reduced CCE. A model is de- veloped to extract the width and CCE of this region. Next, charge collection profiles of non-irradiated and irradiated pad diodes are measured using a 5.2 GeV electron beam traversing the diode parallel to the readout electrode. The CCE profiles as a function of depth are extracted by unfolding the measured charge collection profiles. The results of the measurements are compared to the simulation using three radiation damage models from the literature. The second half of the work is related to the characterisation of hybrid pixel modules in the test-beam and lab. Planar sensors with various designs and pixels sizes of 25×100 µm2 and 50 × 50 µm2 are bump bonded to the RD53A readout chip. To extract parameters such as hit efficiency, spatial resolution, and cluster size, the irradiated and non-irradiated modules are tested at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) with 5.2 GeV electron beam. Irradiation is done up to the 1 MeV neutron-equivalent fluence of 2.0 × 1016 cm−2 . All irradiated modules, except one with a bias-dot, reach hit efficiency of 0.98 at a bias voltage below 800 V. The estimated spatial resolution degrades after irradiation due to the reduction of cluster size. The RD53A readout chip has a non-staggered bump-bond pattern. Therefore, the opening for passivation of the sensor pixel is not directly above its implant and routing is needed. This routing increases the cross-talk effect between neighbouring pixels in adjacent rows. Cross-talk biases the hit reconstruction by the sensor and deteriorates spatial resolution. In this work, cross-talk of three non-irradiated sensors with different designs is characterised using the charge injection method.