Numerical simulations of semiconductor radiation detectors for high-energy physics and spectroscopy applications

Abstract

The position sensitive silicon particle detectors are widely used in the tracking systems of High Energy Physics experiments such as the CMS at LHC, the world's largest particle accelerator at CERN. The foreseen upgrade of the LHC to its high luminosity (HL) phase, will enable the use of maximal physics potential of the facility. However, after 10 years of operation the expected fluence will result in a radiation environment that is beyond the capacity of the present tracking system design. The required upgrade of the all-silicon central trackers will include higher granularity and radiation hard sensors that can tolerate the increased occupancy and the higher radiation levels. To address this, extensive measurement and simulation studies have been performed to investigate different designs and silicon materials. The work in this thesis has been carried out within the CMS Tracker Upgrade Project and the multi-experiment RD50 Collaboration.

Simulations serve a vital role in device structure optimization and predicting the electric fields and trapping in the silicon sensors. The main objective of device simulations is by using professional software to develop an approach to both model and predict the performance of the irradiated silicon detectors.

In the course of this thesis, an effective non-uniform defect model is developed using the Sentaurus TCAD simulation framework. The model reproduces both the observed bulk and surface properties and can predict the performance of strip detectors up to HL-LHC fluences. When applied to measurements of the position dependence of Charge Collection Efficiency, the model can provide a means for the parametrization of oxide charge accumulation at the detector s SiO2/Si interface as a function of irradiation dose.

TCAD simulations are also applied for a comparative study of a thin p-on-p pixel sensor and a more conventional p-on-n pixel sensor. The simulations are used to provide an explanation to the measured charge collection behavior and for a detailed investigation of the electrical properties of the two sensor types.

Finally, the scope of TCAD simulations is extended to GaAs, a compound semiconductor material. By implementing the observed deep donor defect level to the simulation, the resulting electrical properties are in close agreement with the measurements of an epitaxial GaAs radiation detector. Also, the transferred electron effect observed in the transient current measurements is reproduced by the simulation.

The combined results of this thesis demonstrate the versatility and power of the TCAD simulations of semiconductor detectors as a tool to bridge the gap from observation to parametrization.

Paikkaherkkiä pii-hiukkasilmaisimia käytetään laajalti suurenergia-fysiikan kokeiden jälki-ilmaisin systeemeissä, kuten CMS:ssa LHC:lla, maailman suurimmalla hiukkaskiihdyttimellä CERN:issä. LHC:n edessä oleva päivitys korkean luminositeetin (HL) vaiheeseen tulee mahdollistamaan laitteiston fysiikkapotentiaalin maksimaalisen hyödyntämisen. Kymmenen vuoden toiminnan jälkeen odotettavissa oleva kokonaisannos tulee kuitenkin aiheuttamaan säteily-ympäristön, joka ylittää nykyisen jälki-ilmaisin systeemin kapasiteetin. Kokonaan piistä valmistetuille keskisille jälki-ilmaisimille edellytettyyn päivitykseen tulee kuulumaan suuremman rakeisuuden ja säteilynkestävyyden omaavia ilmaisimia, jotka pystyvät kestämään suurempia hetkellisiä hiukkasannoksia ja korkeampia säteilytasoja. Tämän johdosta on suoritettu laajoja mittaus- ja simulaatiotutkimuksia erilaisilla ilmaisinrakenteilla ja pii-materiaaleilla. Tässä väitöskirjassa esitetetty tutkimus on suoritettu CMS Tracker Upgrade-projektin ja RD50 kollaboraation puitteissa.

Simulaatiot ovat oleellisessa osassa ilmaisinrakenteiden optimoinnissa sekä ennakoitaessa sähkökenttiä ja loukkuuntumista pii-ilmaisimissa. Ilmaisinsimulaatioiden pääasiallinen tavoite on kaupallisia ohjelmistoja käyttäen kehittää metodi säteilytettyjen pii-ilmaisimien toiminnan mallintamiseksi ja ennusteiden laatimiseksi.

Tässä väitöskirjassa esitellään efektiivisen epäyhtenäisen säteilyvaurio-mallin kehitysprosessi Sentaurus TCAD simulaatio-ohjelmistopakettia käyttäen. Malli toisintaa kokeellisesti havaitut bulkki- ja pintaominaisuudet ja kykenee tuottamaan ennusteita nauhailmaisimille HL-LHC säteilyannoksiin asti. Sovellettuna varauksen keräystehokkuuden paikkariippuvuus mittauksiin, malli voi tarjota keinon oksidivarauksen akkumulaation parametrisointiin annoksen funktiona ilmaisimen pii-oksidi rajapinnalla.

TCAD simulaatioita käyttäen on myös suoritettu vertaileva tutkimus ohuen p-on-p pikselisensorin ja tavanomaisemman p-on-n pikselisensorin välillä. Simulaatiot tarjoavat sekä selityksen havaitulle varauksen keräys käyttäytymiselle että yksityiskohtaisen selvityksen kahden sensorityypin sähköisistä ominaisuuksista.

Lopuksi TCAD simulaatiot ulotetaan GaAs:iin, seospuolijohteeseen. Lisäämällä kokeellisesti havaittu kidevirhe simulaatioon, tuotetut sähköiset ominaisuudet toisintavat epitaksiaalin GaAs säteilynilmaisimen mittaukset. Lisäksi simulaatio pystyy toisintamaan transienttivirta mittauksissa havaitun vaihdetun elektronin efektin.

Tämän väitöskirjan yhdistetyt tulokset osoittavat puolijohdeilmaisimien TCAD simulaatioiden monipuolisuuden ja tehokkuuden työkaluna, jolla siirtyä havainnosta parametrisaatioon.