Characterisation of silicon detectors using the two photon absorption – transient current technique

Abstract

Modern high energy physics experiments have increasing demands on particle detectors in terms of their spatial and temporal resolution, as well as their ability to withstand higher radiation levels. To meet these demands, increasingly complex detectors with ever smaller device segmentations are being developed that require precise device characterisation. This work is dedicated to a newly developed characterisation technique: the two photon absorption - transient current technique (TPA-TCT); a method to characterise particle detectors with micrometer-scale three-dimensional spatial resolution. Femtosecond laser light with a wavelength in the quadratic absorption regime is focused to generate excess charge by two photon absorption in a volume of about 75 µm3 around the focal point. The drift of the excess charge carriers is studied to obtain information about the device under test. In this work, silicon detectors are used to explore and further develop the TPA-TCT. The technique is applied to pad detectors in order to study the technique and to strip and monolithic detectors to demonstrate the potential of TPA-TCT for the characterisation of state-of-the-art detector technologies. The applicability of the TPA-TCT in neutron, proton, and gamma irradiated devices is shown and radiation damage related effects on the technique are systematically studied. The reduction of charge multiplication in a low gain avalanche detector for increasing excess charge densities is observed and the role of diffusion to partially recover the gain is investigated. New techniques to investigate the electric field in complex segmented devices are developed and applied to strip and monolithic detectors. This work paves the way for the TPA-TCT as a tool to characterise detectors with three-dimensional micrometer-scale spatial resolution.

Heutige und zukünftige Experimente der Hochenergiephysik stellen immer höhere Anforde- rungen an Teilchendetektoren in Bezug auf ihre räumliche und zeitliche Auflösung sowie ihre Fähigkeit, steigenden Strahlungswerten standzuhalten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden immer komplexere Detektoren mit immer kleineren Segmentierungen ent- wickelt, die eine präzise Charakterisierung erfordern. Diese Arbeit widmet sich einer neuen Charakterisierungstechnik: der Two Photon Absorption - Transient Current Technique (TPA-TCT); einer Methode zur Charakterisierung von Teilchendetektoren mit dreidimensio- naler Auflösung im Mikrometerbereich. Femtosekunden-Laserlicht mit einer Wellenlänge im quadratischen Absorptionsbereich wird fokussiert, um durch Zwei-Photonen-Absorption in einem Volumen von etwa 75 µm3 um den Brennpunkt herum Überschussladung zu erzeugen. Die Bewegung der Ladungsträger wird untersucht, um Informationen über den Detektor zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Detektoren aus Silizium verwendet, um die TPA-TCT zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Pad-Detektoren werden untersucht, um grundlegende Studien bezüglich der TPA-TCT durchzuführen. Das Potenzial der TPA-TCT für die Charakterisierung moderner Detektortechnologien wird anhand von Streifen- und monolithische Detektoren demonstriert. Die Anwendbarkeit der TPA-TCT in Neutronen, Protonen und Gamma bestrahlten Detektoren wird gezeigt, und die Auswirkungen von Strahlenschäden auf die Technik werden systematisch untersucht. Die Verringerung der Ladungsvervielfachung in einem Low Gain Avalanche Detector bei zunehmender Ladungs- trägerdichte wird beobachtet und die Rolle der Ladungsträgerdiffusion zur teilweisen Wiederherstellung der Verstärkung wird untersucht. Neue Techniken zur Untersuchung des elektrischen Feldes in komplexen, segmentierten Detektoren werden entwickelt und auf Streifen- und monolithische Detektoren angewandt. Diese Arbeit ebnet den Weg für die TPA-TCT als Methode für die Charakterisierung von Detektoren mit dreidimensionaler räumlicher Auflösung im Mikrometerbereich.