Investigations of planar n+-in-n ATLAS silicon sensors with modified pixel implantations

Abstract

In hoch energetischen Physikexperimenten werden kontinuierlich verbesserte Sensoren und Module benötigt, um neuen Anforderungen gerecht zu werden. Die REINER-Pixelmodule weisen verschiedene Pixelvariationen auf, um die Sensoreigenschaften, vor allem nach Bestrahlung, zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die Labor- und Teststrahlergebnisse von mehreren REINER- Pixelmodulen präsentiert. Insgesamt wurden dazu neun Module mit Protonen und Neutronen in Bestrahlungseinrichtungen bestrahlt, um die Strahlenhärte und die beabsichtigte Ladungsverstärkung zu untersuchen. Vor der Bestrahlung zeigten alle Pixelvariationen ähnliche Effizienzen in der Ladungssammlung und des Teilchennachweises, was sich jedoch nach der Bestrahlung änderte. Für fast alle Module wurden nach der Bestrahlung die höchsten Teilchennachweiseffizienzen bei niedrigen Spannungen für das Standardpixeldesign gemessen. Nur bei einem mit Neutronen hoch bestrahlten Modul (5x1015neq/cm²) erreicht die Pixelvariation V5 deutlich höhere Nachweiseffizienzen bei niedrigen Spannungen. Die anschließenden Studien, bei denen ein anderes Modul erhitzt wurde, haben gezeigt, dass die höhere Anzahl an Ladungsträgern und die erhöhte Teilchennachweiseffizienz von Pixelvariation V5 ein Aufheizeffekt sind: Für dieses mit Neutronen hoch bestrahlte Modul wurden nach langen Aufheizzeiten eine erhöhte Ladungssammlung und eine höhere Teilchennachweis-effizienz gemessen. Zusätzlich wurde im Zuge dieser Arbeit ein Aufbau in Betrieb genommen, mit dem die laserinduzierte Ladungssammlungseffizienz eines Sensors mit einer Auflösung im Subpixelbereich im Labor untersucht werden kann. Erste vielversprechende Ergebnisse dieses Aufbaus sind konsistent zu Pixeleffizienzen aus Teststrahlmessungen: Die erhöhte Ladungssammlung- und Teilchennachweiseffizienz von Pixelvariation V5 nach Bestrahlung und Aufheizen ist vermutlich auf elektrische Feldstärkenmaxima zurückzuführen, die an den Ecken und Kanten der n⁺-Implantation auftreten. Dieses stärkere elektrische Feld verbreitert die Verarmungszone und ein Ladungsvervielfältigungseffekt tritt auf.