Detectores de avalancha de baja ganancia resistentes a la radiación para la medición de tiempo con alta precisión para la actualización de alta luminosidad del experimento CMS

Abstract

La actualización de Alta Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC) será el experimento insignia de la física de partículas en la próxima década. Con el incremento en la luminosidad surgen nuevos desafíos técnicos, especialmente en la reconstrucción de los vértices primarios de las colisiones. Esto se debe a la ocurrencia de múltiples colisiones entre protones en un mismo cruce de haces, un fenómeno conocido como apilamiento (pile-up), que genera una gran densidad de interacciones superpuestas y complica la asignación precisa de las partículas al vértice primario del que proceden. Una asignación incorrecta de los vértices afecta la calidad de los datos reconstruidos, lo que se traduce en una importante reducción de la luminosidad efectiva del experimento. Para afrontar este desafío, dentro del experimento Compact Muon Solenoid (CMS), en el cual se enmarca esta tesis, se ha propuesto la implementación de un nuevo concepto de detector, el MIP Timing Detector (MTD). Este detector permitirá medir los tiempos de producción de partículas cargadas mínimamente ionizantes (Minimum Ionizing Particles, MIP) con una alta resolución temporal, proporcionando una nueva dimensión en la identificación y separación de las colisiones superpuestas. Más concretamente, esta tesis se centra en el desarrollo de la tecnología sensora para la región de cierre del MTD, conocida como Endcap Timing Layer (ETL). La tecnología de sensores seleccionada para estas capas de temporización son los Low-Gain Avalanche Detectors (LGADs), los cuales ofrecen una respuesta de señal ultrarrápida, una ganancia interna moderada y una excelente resolución temporal, características que los hacen ideales para el seguimiento de alta precisión en la era del HL-LHC. En esta tesis doctoral, se presentan estudios de tolerancia a la radiación de sensores de silicio de avalancha de baja ganacia LGAD (Low Gain Avalanche Detectors), los cuáles serán empleados en el "Compact Muon Selenoid" (CMS) para la actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones LHC (Large Hadron Collider). Para ello se han realizado diferentes campañas de caracterización sobre LGADs con distintas tecnologías: Fabricados en obleas con sustratos de tipo "Silicon on Silicon" (SiSi) y en sustratos crecidos "epitaxialmente" (Epi), además algunos sensores de éstas producciones fueron fabricados con co-implantación de Carbono en la capa de multiplicación, con el objetivo de mejorar su tolerancia a la radiación, comparado con sensores estándard después de ser irradiados. Como resultado, se concluye que entre los sensores LGAD fabricados en el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM), los sensores SiSi con coimplantación de carbono (dosis de 9×1014 at/cm2 ), tras ser irradiados con una fluencia de 15×1014 neq cm−2 cumplen los requisitos de resolución temporal del experimento CMS de menos de 50 ps al voltaje de operación, definido como el voltaje necesario para alcanzar una carga colectada de 8 fC, y por debajo del límite de 12 V/µm para el voltaje de polarización de estos dispositivos. El Capítulo 1 proporciona una visión general del experimento CMS del LHC y el contexto de la actualización de alta luminosidad (HL-LHC). El Capítulo 2 sienta las bases de los detectores semiconductores. En el Capítulo 3 se revisa el estado-del-arte y las tendencias de I+D de los detectores semiconductores en la física de altas energías. En el Capítulo 4 se describen los métodos experimentales utilizados en las diversas campañas de caracterización, test-beams y las instalaciones de irradiación. En el Capítulo 5 se explican los daños específicos de los LGAD por radiación. Los resultados de la caracterización de LGADs para el CMS ETL se presentan en el Capítulo 6, y finalmente, el Capítulo 7 contiene un resumen y las conclusiones de esta tesis. Posteriores investigaciones se pueden plantear en la optimización de la dosis de implantación y profundidad de la capa de ganancia, combinando el enriquecimiento con Carbono en sensores fabricados con tecnología epitaxial, así como la implentación de nuevas tecnologías en el diseño de sensores como el LGAD inverso con trinchera (Trenched iLGAD).

The High-Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC) will be the flagship experiment in particle physics in the next decade. With the increase in luminosity, new technical challenges arise, particularly in the reconstruction of primary collision vertices. This is due to the occurrence of multiple proton-proton collisions within a single beam crossing, a phenomenon known as pile-up (pile-up), which generates a high density of overlapping interactions and complicates the precise assignment of particles to their corresponding primary vertex. An incorrect vertex assignment affects the quality of reconstructed data, leading to a significant reduction in the experiment’s effective luminosity. To address this challenge, within the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which frames this thesis, the implementation of a new detector concept, the MIP Timing Detector (MTD), has been proposed. This detector will enable the measurement of the production times of minimally ionizing charged particles (Minimum Ionizing Particles, MIP) with high temporal resolution, providing an additional dimension for the identification and separation of overlapping collisions. More specifically, this thesis focuses on the development of sensor technology for the forward and backward regions of the MTD, known as the Endcap Timing Layer (ETL). The selected sensor technology for these timing layers consists of Low-Gain Avalanche Detectors (LGADs), which offer an ultra-fast signal response, moderate internal gain, and excellent time resolution, making them ideal for high-precision tracking in the HL-LHC era. In this PhD thesis, radiation tolerance studies have been carried out for LGADs, which will be used in the detector of the Compact Muon Selenoid Experiment (CMS) for the High-Luminosity (HL) upgrade of the Large Hadron Collider (LHC). For this purpose, different characterization campaigns have been carried out on LGADs produced with different technologies: Sensors fabricated on wafers with substrates called ‘Silicon on Silicon’ (SiSi) and on ‘epitaxially’ grown substrates (Epi), also some sensors from these productions were fabricated with the feature of Carbon enrichment, co-implanted in the multiplication layer, with the aim of improving the radiation tolerance of these devices, which is proved in this study by obtaining less degradation of the multiplication layer compared to standard sensors (without carbon) after being irradiated. As a result, it is concluded that among the LGAD sensors manufactured at the National Center for Microelectronics (CNM), the SiSi sensors with carbon co-implantation (dose of 9 × 1014 at/cm2 ), after being irradiated with a fluence of 15 × 1014 neq cm−2 , meet the time resolution requirements of the CMS experiment of less than 50 ps at the operating voltage, defined as the voltage required to achieve a collected charge of 8 fC, and below the limit of 12 V/µm for the bias voltage of these devices. Chapter 1 provides an overview of the LHC CMS experiment and the context of the HL-LHC high-luminosity upgrade. Chapter 2 lays the groundwork for semiconductor detectors. The state-of-the-art and the R&D trends of the semiconductor tracking and vertex detectors are reviewed in Chapter 3. The experimental methods used in the various characterization campaigns, test-beams, and irradiation facilities are described in Chapter 4. The specific radiation damage to LGADs is explained in Chapter 5. The results of the characterization of LGADs for the CMS ETL are presented in Chapter 6, and finally, Chapter 7 contains a summary and the conclusions of this thesis. Further research can be considered in the optimization of implantation dose and gain layer depth, the combination of carbon enrichment in epitaxially fabricated sensors, and the implementation of new technologies in the design of sensors such as the trenched iLGAD.