Detectores semiconductores 3D pixelados altamente resistentes a la radiación para experimentos en futuros aceleradores

Abstract

La fase de alta luminosidad del Large Hadron Collider (LHC) del CERN plantea exigencias técnicas al experimento Compact Muon Solenoid (CMS), que deberá operar bajo niveles de radiación y tasas de colisión sin precedentes. Para garantizar un rendimiento óptimo en estas condiciones, se ha previsto la sustitución completa del sistema de reconstrucción de trazas. El nuevo sistema requiere sensores que combinen alta tolerancia a la radiación, bajo consumo energético, mayor granularidad para mejorar la resolución espacial, y una alta eficiencia de detección. Si bien la mayor parte del sistema interno de trazas utilizará sensores con píxeles planares de silicio, los sensores con píxeles 3D constituyen la única opción viable para la capa más próxima al punto de interacción, gracias a su superior resistencia a la radiación y menor consumo energético. Esta tesis presenta la caracterización de sensores con píxeles 3D---interconectados con prototipos a escala real del chip de lectura---y su validación para ser implementados en el nuevo sistema de trazas de CMS. El rendimiento de estos detectores se evaluó en experimentos con haces de prueba, tanto antes como después de ser irradiados. Los resultados obtenidos demuestran que los sensores de píxeles 3D cumplen con los requisitos establecidos por CMS, confirmando su idoneidad para ser instalados en la capa más interna del sistema de trazas. Asimismo, se realizaron pruebas a nivel de sistema para validar integralmente los nuevos detectores de píxeles. En particular, se evaluaron su rendimiento y funciones específicas del chip de lectura bajo el esquema de distribución de potencia previsto para el sistema interno de trazas. Además, tras un exitoso programa de validación, se realizaron las primeras pruebas de control de calidad de las interconexiones entre el sensor y el chip de lectura, marcando así el inicio de la fase de producción de módulos en uno de los centros de ensamblado. Más allá de la actualización para la fase de alta luminosidad del LHC, los sensores con píxeles 3D se están explorando para aplicaciones de medición temporal en experimentos de próxima generación, donde se requiere alta tolerancia a la radiación y resolución temporal precisa. En esta tesis también se investiga su rendimiento en este contexto, con especial atención a los efectos de las no uniformidades del campo eléctrico y la influencia de la geometría de la celda píxel. Las mediciones realizadas con técnicas láser revelan un impacto significativo del diseño de la celda, lo que resalta la importancia de optimizar la arquitectura de los sensores para este tipo de aplicaciones.

The upcoming high-luminosity phase of the CERN Large Hadron Collider (LHC) imposes stringent requirements on the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which must operate under unprecedented radiation levels and collision rates. To maintain high performance in such demanding conditions, the tracking system will be completely replaced. The upgraded system requires sensors that combine high radiation tolerance, minimal power dissipation, increased granularity to improve spatial resolution, and high single-hit detection efficiency. While planar silicon pixel sensors will be installed throughout most of the inner tracking system, 3D pixel sensors are the only viable option for the layer closest to the interaction point, owing to their superior radiation hardness and lower power dissipation. This thesis presents the characterization of 3D pixel sensors---interconnected with \mbox{full-size} prototype readout chips---and their qualification for deployment in the upgraded CMS tracking system. The performance of these detectors was evaluated in test beam experiments before and after irradiation. The results demonstrate that 3D pixel sensors meet the CMS requirements, confirming their suitability for installation in the innermost layer of the tracking system. System-level tests were also performed to fully validate the pixel detectors developed for the upgrade. In particular, their performance and specific functionalities of the readout chip were assessed under the power distribution scheme planned for the inner tracking system. Additionally, following a successful qualification program, initial quality control tests of the sensor-readout interconnects were carried out, marking the beginning of the production phase at one of the designated assembly centers. Beyond the high-luminosity LHC upgrade, 3D pixel sensors are also being explored for timing applications in next-generation experiments, where high radiation tolerance and precise time resolution are required. This thesis investigates their timing performance, with particular focus on the effects of electric field non-uniformities and the influence of pixel cell geometry. Laser-based measurements reveal a significant impact of pixel cell layout, highlighting the importance of sensor design optimization for future timing applications.