Bharthuar, Shudhashil2023-04-252023-05-062023-04-252023-05-16http://hdl.handle.net/10138/357268Silicon sensors have played a pivotal role in particle tracking and vertex reconstruction for high energy physics experiments, such as the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC). Further developments of the sensor prototypes based on Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) technology with intrinsic charge multiplication, have shown a potential to improve the signal-to-noise ratio and time resolution of the detector. During the Phase-2 operation of the LHC, also known as High Luminosity-LHC (HL-LHC), the CMS Inner Tracker will be exposed to extreme radiation levels up to 2.3e16 neq/cm² . In addition, to cope up with high pile-up rates during the HL-LHC run, the CMS experiment will install a precision Minimum Ionising Particle Timing Detector (MTD). The endcap part of the MTD, called the Endcap Timing Layer (ETL), will consist of LGADs providing a timing resolution of ∼30 ps. AC-coupled designs provide a solution to the increment in radiation-induced currents by enhancing the radiation hardness of pixel detectors for future collider experiments and are suitable for tracking purposes. The aim of this thesis is characterization of high resistivity p-type Magnetic Czochralski silicon (MCz-Si) based detectors that implement thin films of negative oxides with good dielectric constant grown by Atomic Layer Deposition (ALD) method, such as aluminum oxide (Al2O3) and hafnium oxide (HfO2), as field insulators. A comparison study was done to analyze the impact of radiation on the effective negative oxide charge density of the dielectric layer in metal-oxide-semiconductor (MOS) devices. Results demonstrate that incorporation of HfO2 along with Al2O3 as a field insulator is a suitable candidate because it provides higher sensitivity to negative charge accumulation with increasing radiation fluence. The negative oxide charge during irradiation is an essential per-requisite of radiation hardness resiliency of n⁺ /p ⁻ /p ⁺ (n-on-p) detectors. Electric field profile studies using edge-Transient Current Technique (e-TCT) measurements substantiate double-peak effect due to deep-level traps in the bulk of 10 MeV proton irradiated pixel detectors up to a fluence of 1e15 protons/cm² and space charge sign inversion in Co-60 gamma irradiated PIN diodes up to a dose of 1 MGy. Electrical characterization and optimization of the gain termination region within LGADs has been performed as well in the thesis. The measured interpad-gap value, and its variation with temperature and radiation fluence was studied using IR laser with scanning-TCT. Results on an interplay between the p-stop dose and interpad terminal strategy suggest that lowering the p-stop doping, aids in improving the breakdown properties of the detector. Further, unexpected introduction of thermal donors within the active epitaxial substrate were identified using C-V measurements. Combination of various electrical characterization studies demonstrate that an optimization in the inter-pixel and edge termination design of AC-coupled pixel detectors in the Tracker and LGADs in the ETL of MTD is crucial for optimum operation of the future CMS detector.Piistä valmistetuilla säteilynilmaisimilla on keskeinen rooli hiukkasten jälkien mittaamisessa ja törmäyspisteiden rekonstruoinnissa suurenergiafysiikan kokeissa, kuten CERNin Large Hadron Collider (LHC) -kiihdyttimen Compact Muon Solenoid (CMS) -koeasemassa. Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) -tekniikkaan perustuvat pii- ilmaisimet kykenevät luontaisesti monistamaan mitattavan säteilyn synnyttämän varauksen, ja näiden ilmaisinprototyyppien testit ovatkin osoittaneet ilmaisimen signaali-kohinasuhteen ja aikaresoluution selkeää parantumista. LHC-kiihdyttimen toisen vaiheen eli High Luminosity LHC:n (HL-LHC:n) aikana CMS-koeaseman sisin jälki-ilmaisin, eli Inner Tracker, altistuu äärimmäisille säteilytasoille, jotka ovat jopa 2,3E16 neutron-ekvivalenttia/cm². Tämä vuoksi CMS-koeasemaan asennetaan tarkka minimaalisesti ionisoivien hiukkasten ajoitusilmaisin (Minimum Ionizing Particle Timing Detector, MTD), jotta CMS selviytyisi signaalien suurista kasaantumisnopeuksista HL-LHC:n toiminnan aikana. MTD:n päädyn osa eli Endcap Timing Layer (ETL) tulee koostumaan LGAD-ilmaisimista, joiden aikaresoluutio on noin 30 ps. Eristerakenteen avulla toteutettu AC- eli vaihtovirtakytkentä parantaa pikseli-ilmaisimien säteilynkestävyyttä ja on siten ratkaisu säteilyn synnyttämien vuotovirtojen kasvun rajoittamiseksi tulevaisuuden hiukkastörmäyskokeissa. Tässä tutkimuksessa karakterisoitiin p-tyypin magneettiselle Czochralski-piille (MCz-Si) valmistettuja säteilynilmaisimia, joissa on käytetty kenttäeristeenä ALD-menetelmällä (Atomic Layer Deposition) kasvatettuja ohutkalvoja, kuten alumiinioksidi (Al2O3) ja hafniumoksidi (HfO2), joilla on suotuisasti negatiivinen oksidivaraus ja hyvä dielektrisyysvakio. Vertailevassa tutkimuksessa analysoitiin säteilyn vaikutusta eristekerroksen negatiivisen oksidivarauksen tiheyteen metalli-oksidi-puolijohde (MOS) -rakenteissa. Tulokset osoittavat, että HfO2:n käyttäminen kenttäeristeenä perinteisen alumiinioksidin Al2O3 rinnalla on hyvä ratkaisuvaihtoehto, koska tällöin negatiivinen oksidivaraus kertyy nopeammin säteilyn annosnopeuden kasvaessa. Negatiivinen oksidivaraus säteilytyksen aikana on olennainen perusedellytys n⁺/p-/p⁺(n-on-p) -ilmaisimien säteilynkestävyydelle. E-TCT (Edge Transient Current Technique) -menetelmällä toteutetut ilmaisimen sähkökentän profiilin mittaukset osoittavat, että 10 MeV:n protoneilla 1E15 protonia/cm² annokseen asti säteilytetyissä pikseli-ilmaisimissa on varauksenkuljettajien syvistä loukkutiloista johtuva kaksoishuippuilmiö, ja että Co-60 gammasäteilyllä 1MGy:n annokseen asti säteilytetyissä PIN-diodeissa on avaruusvarauksen tyyppi-inversio. Väitöstyössä on myös sähköisesti karakterisoitu ja optimoitu LGAD-ilmaisimen vahvistusalueen suuruus. LGADin nk. interpad-gap-alueen kokoa (eli ”no-gain”-alueen kokoa) ja sen riippuvuutta lämpötilasta ja säteilyannoksesta tutkittiin käyttäen IR- eli infrapunalaseria ja skannaavaa TCT:ta. Tulokset p-stop-seostusannoksen ja valitun interpad-strategian välisestä vuorovaikutuksesta viittaavat siihen, että p-stop -rakenteen seostusannoksen pienentäminen auttaa parantamaan ilmaisimen läpilyöntiominaisuuksia. Lisäksi kapasitanssi-jännite (C-V) -mittauksissa havaittiin odottamatonta termisten donorien indusoitumista aktiivisen epitaksiaalisen ohutkalvon sisällä. Erilaisten sähköisten karakterisointimittausten yhdistelmä osoittaa, että tulevan CMS-koeaseman optimaalisen toiminnan kannalta on äärimmäisen tärkeää suunnitella erittäin tarkasti Jälki-ilmaisimen AC-kytkettyjen pikseli-ilmaisimien keskinäinen vuorovaikutus ja MTD-ETL:n LGAD-ilmaisimien keräysalueen reunat.application/pdfengJulkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.physicumURN:ISBN:978-951-51-8416-0Doctoral dissertation (article-based)