Research and development of silicon photomultipliers with bulk-integrated quench resistors for future particle tracking and astroparticle physics applications

Petrovics, Stefan (2022): Research and development of silicon photomultipliers with bulk-integrated quench resistors for future particle tracking and astroparticle physics applications. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit richtet sich auf die Forschung und Entwicklung neuartiger Silizium-Photomultiplier (SiPM), mit dem späteren Ziel der Anwendung im Bereich der Hochenergie-Teilchenphysik (Tracking Detektor und Kalorimeterauslese) und Astro-Teilchenphysik (Cherenkov-Teleskop-Kamera). In den letzten Jahren haben sich SiPMs aufgrund ihrer stetigen Entwicklungen und technischen Verbesserungen immer mehr als vielversprechende Nachfolger für Photomultiplier-Röhren bewiesen. Konventionelle SiPMs sind üblicherweise als eine Matrix von Lawinenphotodioden aufgebaut, welche jeweils im Geiger-Modus betrieben werden und parallel verbunden sind und somit die Möglichkeit für die Detektion von einzelnen Photonen bieten. Das Signal wird dabei aus der Summe aller ausgelöster Zellen zusammengesetzt. Um der Ladungslawine entgegenzuwirken und das Wiederaufladen der Zelle zu ermöglichen, wird ein hochohmiger Löschwiderstand benötigt, der normalerweise auf der Oberfläche der Bauteile platziert wird und damit ein Hindernis für einfallendes Licht darstellt. Das Konzept, welches am Halbleiterlabor der Max-Planck Gesellschaft entwickelt wird und Silicon Multipixel Light Detector (SiMPl) genannt wird, versucht, diesen Nachteil (und viele daraus folgende) zu umgehen, indem es den Löschwiderstand in den Silizium-Bulk des Sensors integriert. Dies hat ein freies Eintrittsfenster für Licht zur Folge und erlaubt damit, eine höhere Photonendetektionseffizienz zu erhalten. Desweiteren wird dadurch die Anzahl der benötigten Prozessschritte während der Herstellung verringert, was wiederum die Kosten für eine Massenproduktion senkt. Erste Prototypen von SiMPl waren in der Lage, sowohl einen Konzeptnachweis, als auch erste Charakterisierungsmessungen zu ermöglichen, welche vielversprechende Resultate geliefert haben, die das allgemeine Potential von zukünftigen Chargen unterstreichen. Allerdings waren die ersten Prototypen auch von technischen Mängeln betroffen. Das Ziel dieser Dissertation war es dementsprechend, die Erkenntnisse der ersten Prototypen in die Weiterentwicklung des SiMPl-Projektes zu integrieren, um so die Qualität der Bauteile weiter zu verbessern und zusätzlich neuartige Konzepte zu verwirklichen. Im Rahmen dieses Bestrebens, fiel der Fokus auf zwei separate Anwendungsschwerpunkte. Diese waren zum Einen, ein Sensor für die Detektion von optischen Lichtquellen geringer Intensität, welcher zum Beispiel im Auslesesystem eines Cherenkov-Teleskopes genutzt werden kann und zum Anderen, ein Sensor mit geringer Dicke und schnellen Timing für die Anwendung als Tracking-Detektor in der Linearbeschleunigerphysik. Simulationsstudien mit dedizierten TCAD-Simulationsanwendungen wurden durchgeführt, um die Reinraumprozessierung zu optimieren und die Umsetzbarkeit der geplanten Adaptionen zu untersuchen. Diese Studien beinhalten Prozess- und Bauteilsimulationen, deren Ergebnisse später mit den Messungen abgeglichen werden können und führten zu vielversprechenden Resultaten. Die Simulationsergebnisse konnten damit als Basis für die Entwicklung neuer Prototypen dienen. Hinsichtlich der Sensoren für geringe Lichtintensitäten, wurde das Ziel gesetzt, die charakteristischen Parameter von SiPMs zu verbessern, um so die generelle Leistung der SiMPl-Sensoren zu optimieren und letztendlich einen konkurrenzfähigen Stand gegenüber kommerzieller Bauteile zu erreichen. Während den Messungen sind jedoch unerwartete Komplikationen aufgetreten, welche zu erheblichen Einbußen in der Qualität der SiMPl-Bauteile führten. Zu diesem Zeitpunkt lag die Vermutung nahe, dass die Komplikationen aufgrund von problembehafteten Prozessschritten hervorgerufen wurden. Infolgedessen wurde beschlossen, mehr Zeit in die Untersuchung dieser Problematik zu investieren, damit diese nicht erneut in späteren Chargen auftreten und diese damit unbrauchbar machen können. Da es sich hierbei jedoch um eine neuartige Problemstellung handelte, waren zahlreiche investigative Messverfahren notwendig. Detailierte Untersuchungen bezüglich der Anwendung von SiMPl als Tracking Detektoren wurden durchgeführt. Eine solche beinhaltete die Messung der Elektronendetektionseffizienz mithilfe eines neuentwickelten Messaufbaus. Die Ergebnisse stimmen dabei sehr gut mit den Simulationsstudien überein und bestätigen damit die Realisierbarkeit des Konzepts. Dieses basiert wiederum auf der zugrundelegenden höheren Detektionseffizienz bei geladenen Teilchen im Vergleich zu Photonen und erlaubt somit das Betreiben der Sensoren bei weniger ausgeprägten Störsignalen. Die erste Prototype-Charge wurde erfolgreich hergestellt und technologisch an die Anforderungen der Ausleseelektronik angepasst. Desweiteren war eine erste Montage von Sensor-Interposern auf Auslesechips erfolgreich und dient damit als Basis für die nächsten Schritte. Charakterisierungsmessungen mit den ersten Prototypen waren zwar möglich, jedoch sind diese ebenfalls von den oben aufgeführten Komplikationen betroffen, was die Ergebnisse nur eingeschränkt nutzbar macht. Beide Anwendungschargen wurden zusätzlich noch durch Bestrahlungskampagnen und Simulationen auf ihre Strahlentoleranz geprüft. Dies war notwendig, da Sensoren für beide Anwendungsgebiete innerhalb strahlungsreicher Umgebungen prolongiert zum Einsatz kommen können. Dabei wurden der allgemeine Einfluss auf das Sensormaterial und die Auswirkungen auf die Leistung der Sensoren untersucht und im Anschluss mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen. Die Ergebnisse wiesen selbst nach verlängerten Bestrahlungen eine mehr als zufriedenstellende Strahlentoleranz auf.

Abstract

The main focus of this thesis is the research and development of novel silicon photomultipliers (SiPMs) with the goal of utilization in high energy particle physics (tracking and calorimeter readout) as well as astroparticle physics (Cherenkov telescope camera). In recent years, SiPMs have been a very promising candidate for replacing conventional photomultiplier tubes in many applications due to the ongoing development and technological improvements. Conventional SiPMs are usually realized as an array of avalanche photodiodes, operated in Geiger mode and connected in parallel, providing single photon counting capabilities with the signal being the sum of all fired cells. In order to stop the avalanche process passively and enable cell recharge, a high ohmic quench resistor is necessary, generally located on the surface of the device, thus limiting its fill factor to a certain degree. The concept developed at the Semiconductor Laboratory of the Max-Planck Society, called Silicon Multipixel Light Detector (SiMPl) attempts to circumvent these (and resulting) drawbacks by incorporating the quench resistor in the silicon bulk material of the sensor. This results in a free entrance window for light and hence higher photon detection efficiencies, while also allowing the reduction of necessary processing steps during production, thus reducing the cost for mass production. First prototype iterations of SiMPl have provided a proof-of-concept as well as the possibility for first characterization measurements, yielding promising results outlining the potential of future batches, while also dealing with technological issues. The main goal of this thesis was therefore to build upon the previous discoveries in order to improve the device performance and include novel designs for future SiMPl batches. In this context, enhancements towards two distinct fields of applications were prioritized, namely low light level photon detection for e.g. the readout systems of Cherenkov telescopes (classic SiMPl approach) and low material budget fast timing tracking applications for e.g. linear collider particle physics (novel approach). Simulation studies with dedicated TCAD simulation tools were carried out in order to improve the technological processing procedure and to investigate the feasibility of the planned adaptations made to the design. These studies include processing and device simulations, which can be further utilized for comparison with later measurements. The results showed promise and provided the basis new prototype productions. In regards to low light level detection applications, an optimization of the characteristic SiPM parameters and thereby overall performance of SiMPl devices was attempted, in order to achieve results competitive with current commercially available devices. During characterizations a potential technological issue was encountered, resulting in a degradation of the affected batches. Hence, focus was later shifted towards the investigation of said issue such that a reoccurence in later batches would not take place. Due to the issue being of a novel nature, various attempts at characterization needed to be carried out. In depth investigation towards the tracking application of SiMPl was carried via a sophisticated experimental setup, design to determine the electron detection efficiency of devices. Results have shown very good agreement with simulated predictions, confirming the concepts feasibility based on increased efficiency rates compared to light detection, which in turn allows operation with lower noise contribution. A first batch of prototypes was developed, adapted to fulfill the requirements of the sophisticated readout electronics. First assembly procedures of sensors interposers and readout ASICs yielded satisfying results, enabling the next development steps. First sensor characterizations were carried out as well. Both batches were additionally investigated in terms of their radiation hardness via simulations and actual irradiation procedures, as the majority of the possible applications will require prolonged operations in a radiation-rich environment. The general impact on the material, as well as on the device performance was analyzed and compared to simulations. The results proved promising results, suggesting no major drawbacks even after extensive exposure to radiation.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: SiPM, Silicon Photomultiplier, Radiation Hardness, Photon Detection, Particle Tracking
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. September 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Kiesling, Christian