Etude d'un détecteur pixel monolithique pour le trajectographe d'ATLAS auprès du LHC de haute luminosité

Study of a monolithic pixel detector for the ATLAS tracker at the High Luminosity LHC

• Auteur / Autrice : Jian Liu
• Direction : Marlon Barbero, Meng-Jiy Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules et Astroparticules
• Date : Soutenance le 27/05/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Shandong University (Jinan, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Qun Ouyang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marlon Barbero, Meng-Jiy Wang, Qun Ouyang, Xiangming Sun, Christine Hu-Guo, Alexandre Rozanov
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xiangming Sun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs à semiconducteurs

Particules (physique)

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

LHC Haute Luminosité

Atlas

Détecteur pixel silicium

Technologie HV/HR CMOS

Détecteur tolérant aux radiations

Détecteur de traces

Hl-Lhc

Atlas

Silicon pixel detector

HV/HR CMOS sensor

Radiation-Hard detector

Tracking detector

Résumé

Prévue pour 2024, une série d’améliorations doit être apportée au grand collisionneur d’hadrons du CERN (LHC) de manière à élargir son potentiel de découverte de nouvelle physique. Cette thèse se situe dans la perspective des études d’amélioration du détecteur ATLAS dans ce nouvel environnement, et concerne une nouvelle technologie monolithique HV/HR CMOS qui pourrait être utilisée pour les détecteurs de traces centraux pixélisés. Cette technologie a le potentiel de permettre la réduction de l’épaisseur des détecteurs, d'augmenter la granularité ainsi que de réduire les couts de production.Au sein de la collaboration HV/HR CMOS d’ATLAS, divers prototypes ont été développés en utilisant les technologies de différents partenaires industriels : GlobalFoundries (GF) BCDlite 130 nm et LFoundry (LF) 150 nm entre autres. Pour comprendre le comportement électrique et la capacité de détection de telles technologies, des simulations TCAD -Technology Computer Aided Design- en 2D et 3D ont été réalisées pour extraire le profil de la zone déplétée, la tension de claquage, la capacitance ainsi que la collection de charges ionisées des prototypes. Le développement de systèmes de test complexes et la caractérisation des prototypes HV/HR CMOS ont aussi été une partie du travail fourni pour cette thèse. Les programmes d’acquisition, en particulier pour ce qui concerne les tests sous protons ou auprès d’irradiateurs à rayons X, ainsi que les programmes de réglages de seuil ont été implémenté dans divers systèmes de test. Plusieurs versions des prototypes développés dans 3 technologies HV/HR CMOS différentes (AMS 0.18 μm HV, GF BCDlite 130nm et LF 150nm) ont été caractérisées.

A major upgrade to the Large Hadron Collider (LHC), scheduled for 2024 will be brought to the machine so as to extend its discovery potential. This PhD is part of the ATLAS program and aims at studying a new monolithic technology in the framework of the design of an upgraded ATLAS inner tracker. This new type of sensor is based on a HV/HR CMOS technology, which would potentially offer lower material budget, reduced pixel pitch and lower cost with respect to the traditional hybrid pixel detector concept.Various prototypes have been developed using different HV/HR CMOS technologies from several industrial partners, within the ATLAS HV/HR collaboration, for instance Global Foundry (GF) BCDlite 130 nm and LFoundry (LF) 150 nm. In order to understand the electric behavior and the detection capabilities of these technologies, 3D and 2D Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations have been performed to extract the depletion zone profile, the breakdown voltage, the leakage current, the capacitance as well as the charge collection of the prototypes. Test setup developments and characterizations of the HV/HR CMOS prototypes were also part of this thesis. The data acquisition programs, in particular dedicated to the proton test beams, X-ray sources and threshold tuning, have been implemented into various test setups. Several HV/HR CMOS prototypes developed in three HV/HR technologies, AMS 0.18 µm HV, GF BCDlite 130 nm and LF 150 nm, have been characterized.