Quad module prototypes and design improvement studies of planar n+-in-n silicon pixel sensors for the ATLAS Inner Tracker upgrade

Abstract

In order to meet the requirements of the High Luminosity-LHC (HL-LHC), it will be necessary to replace the current tracker of the ATLAS experiment. Therefore, a new all-silicon tracking detector is being developed, the so-called Inner Tracker (ITk). The use of quad chip modules is intended in its pixel region. These quad modules consist of four read-out chips, bump-bonded to one large silicon pixel sensor. In this thesis, first prototypes of quad modules are investigated, which were assembled using a planar n+-in-n silicon pixel sensor and four FE-I4 read-out chips. The focus of the investigations is the measurement of charge collected in the laboratory and the tracking efficiency for particle passages at testbeams. In addition, the development of new pixel designs is presented.

Um die Anforderungen des High Luminosity-LHC (HL-LHC) zu erfüllen, wird es notwendig sein, den aktuellen Tracking-Detektor des ATLAS-Experiments zu ersetzen. Deshalb wird ein neuer Silizium-Tracking-Detektor entwickelt, der sogenannte Inner Tracker (ITk). In dessen Pixelbereich ist der Einsatz von Quad-Chip-Modulen vorgesehen. Diese Quad-Module bestehen aus vier Auslese-Chips, die über Bump Bonds mit einem großen Silizium-Pixelsensor verbunden sind. In dieser Arbeit werden erste Prototypen solcher Quad-Module untersucht, die unter Verwendung eines planaren n+-in-n-Silizium-Pixelsensors und vier FE-I4-Auslesechips gefertigt wurden. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf Messung der Ladungssammlung im Labor und der Nachweiseffizienz von Teilchendurchgängen im Testbeam. Darüber hinaus wird die Entwicklung neuer Pixel-Designs vorgestellt.