Etude des détecteurs au Silicium à pixels dans un environnement radiatif

Abstract

Le complexe d’accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (en anglais Large Hadron Collider - LHC) fera l'objet de mises à niveau successives jusqu'à 2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). Pour relever les défis expérimentaux de l'augmentation de la luminosité instantanée jusqu'à un facteur 7 par rapport à la valeur 1034 cm2s -1 de conception de LHC, l'expérience ATLAS subira un remplacement complet du trajectomètre interne (en anglais Inner Tracker - ITk) du système de suivi pour maintenir et améliorer les performances du détecteur actuel. En effet, ces améliorations correspondent à une augmentation d'environ de 140 à ~200 évènements par croisement de paquets comparé aux 50 collisions au LHC ; à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d’atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches d’une nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrale de l’ordre 400 fb-1 par an et 4000 fb-1 pendant une dizaine d’années. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l’ensemble de la période de fonctionnement du LHC. Pour des raisons d’optimisation de coût de production pour des grandes surfaces en silicium et d’augmentation d'efficacité de collecte de charges, les capteurs de pixels planaires n-on-p à bords très minces sont des candidats prometteurs pour équiper des parties du nouveau système de pixels du HL-LHC. Dans ce travail, les performances des capteurs planaires n-on-p à bords actifs ont fait l’objet d’études approfondies à des fluences d’irradiation élevées attendue dans le HL-LHC allant jusqu'à 1×10+16 neutrons équivalent par cm2. Les performances visées dans cette étude sont la tension de claquage, le courant de fuite ainsi que l’efficacité de la collection de charges. Profitant de la technique de spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS), une représentation précise de la structure a été obtenue en termes de profil de dopage des constituants du détecteur. Les dégâts occasionnés par les radiations ont été modélisés par un modèle de piège à trois niveaux énergétiques localisés dans la bande interdite du silicium de type p et considérant une quantité croissante de charge dans l’oxyde avec la dose d’irradiation. Les paramètres physiques, tels que la distribution de la densité des trous et du champ électrique dans la profondeur du capteur de 150 μm d'épaisseur ont été étudiés en fonction de la fluence d’irradiation à l’aide des outils TCAD du logiciel SILVACO. The Large Hadron Collider (LHC) accelerator complex will undergo successive upgrades until 2025 to move to the high luminosity phase (HL-LHC). To meet the experimental challenges of increasing instantaneous brightness by up to a factor of 7 over the LHC design 1034 cm2-s-1, the ATLAS experiment will undergo a complete replacement of the internal trajectometer (Inner Tracker - ITk) of the tracking system to maintain and improve the performance of the current detector. Indeed, these improvements correspond to an increase of about 140 to ~ 200 events per packet crossing compared to 50 collisions at the LHC; to this end, an all-silicon technology was chosen. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high precision in the studies of the physical processes of the Standard Model and the research of new physics, the proton collider will have to provide an integral luminosity of the order of 400 fb-1 per year, and 4000 fb-1 for ten years. This is an order of magnitude greater than the entire LHC period. For reasons of optimizing the production cost for large silicon surfaces and increasing the efficiency of charge collection, n-on-p planar pixel sensors with very thin edges are promising candidates to equip parts of the new pixel system of the HL-LHC. In this work, the performance of n-on-p planar sensors with active edges has been extensively studied at high irradiation fluences expected in the HL-LHC of up to1×10 + 16 neutrons equivalent. per cm2. The performances targeted in this study are the breakdown voltage, the leakage current as well as the efficiency of the charge collection. Taking advantage of the technique of secondary ion mass spectrometry (SIMS), an accurate representation of the structure was obtained in terms of the doping profile of the constituents of the detector. Radiation damage was modeled by a three-energy level trap model located in the band gap of p-type silicon and considering an increasing amount of charge in the oxide with the dose of irradiation. The physical parameters, such as the distribution of the hole density and the electric field in the depth of the 150 μm-thick sensors were studied as a function of the irradiation fluence using the TCAD tools of the SILVACO software. سيخضع مسرع ومصادم الجزيئات الكبير (LHC) لتحديث متتالي حتى عام 2025 للانتقال إلى مرحلة الاشعاع العالية (LHC - HL) لزيادة شدة الاشعاع اللحظي بما يصل إلى معامل 7 من القيمة الحالية للمصادم LHC البالغة 1-. s1-cm1034 . وفي هذا الإطار ستخضع تجربة ATLAS لاستبدال كامل لجهاز تتبع الجزيئات الداخلي (بالإنجليزية Inner TrackerI-ITk ) للحفاظ على ادائه الحالي وتحسينه. في الواقع، تتوافق هذه التحسينات مع زيادة بنحو 140 إلى ~ 200 حدث لكل حزمة جزيئات عابرة مقارنة ب 50 تصادم في LHC . تحقيقا لهذه الغاية، تم اختيار استعمال تكنولوجيا السيليكون بالكامل. ولأسباب تتعلق بتحسين تكلفة الإنتاج لأسطح السيليكون الكبيرة وزيادة كفاءة جمع الشحنات، تعد مستشعرات البيكسل المستوية n-on-p ذات الحواف الرفيعة جدا مرشحة وواعدة لتجهيز أجزاء نظام البيكسل الجديدة للمصادم (LHC - HL) . الهدف من هذا العمل هو دراسة أداء المستشعرات المستوية n-on-p ذات الحواف النشطة قبل وبعد تعرضها للإشعاع . خلال هذه الدراسة تم التطرق بالتفصيل لبعض العوامل الفيزيائية المهمة كجهد الانهيار للمستشعر، تيار التسرب، توزيع كثافة الثقوب والالكترونات (les électrons et les trous) ، كفاءة جمع الشحنات الناتجة عن مرور الجسيمات والحقل الكهربائي في عمق المستشعر بسمك 150 ميکرو متر وبالتالي تم محاكاة وتمثيل كاشف الاشعاع (capture) بشكل دقيق باستخدام برنامج TCAD - SILVACO.