Characterization of 3D sensors bonded to RD53A readout chip for CMS phase 2 Inner Tracker system

Abstract

The HL-LHC conditions of instantaneous peak luminosities up to 7.5 x 10³⁴&nbsp;cm^-2&nbsp;s^-1&nbsp;and an integrated luminosity of the order of 300 fb^-1/year would result in&nbsp;1 MeV neutron equivalent fluence of 2.3 x 10¹⁶&nbsp;n_eq/cm²&nbsp;and a total ionizing dose (TID)&nbsp;of 12MGy (1.2 Grad) at the center of CMS, where its innermost component, the&nbsp;Phase-2 Pixel Detector will be installed. The detector would be capable of resisting the mentioned radiation dose, handle projected hit rates of 3GHz/cm²&nbsp;at the lowest radius, be able to separate and identify particles in extremely dense collision&nbsp;debris, deal with a pileup of 140-200 collisions per bunch crossing and have high&nbsp;impact parameter resolution. This along with physics goals translates into requiring a detector design that is more highly granular, has thinner sensors and smaller&nbsp;pixels, and faster and radiation hard electronics. Until now, the planar sensor with&nbsp;pixel sizes six times smaller than currently used, and 3D pixel types are proposed<br /> to hold the above scenario. 3D sensors appear as a new alternative, offering several&nbsp;improvements compared to the planar sensors like faster charge collection, radiation&nbsp;hard, lower depletion voltage, among other things, however, these sensors are more&nbsp;prone to have a higher level of noise (lower signal to noise ratio). Thin sensors yield&nbsp;smaller signals but offer a less material budget. The work presented is based on the&nbsp;test-beam program at Fermilab designed to test sensors for the Phase-2 Pixel Detector. These sensors are bump bonded to PSI46dig readout chip (used currently with Phase-1 Detector). The sensors are tested with a 120 GeV/c proton beam at the&nbsp;Fermilab Meson Test-Beam Facility with a telescope made of eight planes of pixel&nbsp;modules to reconstruct tracks of the charged particles passing through the sensors&nbsp;tested (referred to as Detector Under Test (DUT)). Using the data collected, each sensor is characterized doing analysis of its efficiency, spatial resolution, and charge&nbsp;collection, having the information necessary it possible to compare between different sensors with different sizes and manufacture brands.

Las condiciones de la Alta Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL- LHC, por sus siglas en ingl&eacute;s) de luminosidades m&aacute;ximas instant&aacute;neas de hasta 7.5 x 10³⁴ <em>cm</em>^-2<em> s</em>^-1&nbsp;y una luminosidad integrada del orden de 300 <em>fb</em>^-1/a&ntilde;o resultado una fluencia equivalentes de neutrones de 2.3 x 10¹⁶&nbsp;<em>n_eq</em>/<em>cm</em>²&nbsp;dar&iacute;a como de dosis total de ionizaci&oacute;n (TID, por sus siglas en ingl&eacute;s) de 12MGy (1.2 Grad) sobre la parte central del solenoide de mu&oacute;n compacto (CMS, por sus siglas en ingl&eacute;s), donde se instalar&aacute;n los componentes m&aacute;s internos del detector de pixeles de la fase-2. El detector deber&iacute;a ser capaz de resistir a la dosis de radiaci&oacute;n anteriormente mencionada, aguantar la raz&oacute;n de golpes proyectada de 3GHz/<em>cm</em>² en el radio m&aacute;s inferior, ser capaz de separar e identificar part&iacute;culas en colisiones extremadamente densas, tratar con una cantidad de 140-200 colisiones por cruce de grupo y que tenga una alta resoluci&oacute;n de par&aacute;metro de impacto. Esto en base a los objetivos de la f&iacute;sica se traduce en la necesidad de que el dise&ntilde;o del detector sea m&aacute;s granular, tenga sensores m&aacute;s delgados y pixeles m&aacute;s peque&ntilde;os, y una electr&oacute;nica m&aacute;s r&aacute;pida y resistente a la radiaci&oacute;n. Hasta ahora, los sensores de tipo planar tienen unos tama&ntilde;os de pixeles seis veces m&aacute;s peque&ntilde;os que los actualmente utilizados y los tipos de pixeles 3D que se est&aacute;n proponiendo para encargarse del escenario anterior. Los sensores 3D aparecen como una nueva alternativa, ofreciendo varias mejoras en comparaci&oacute;n con los sensores planares, como en la recolecci&oacute;n de carga m&aacute;s r&aacute;pida, resistencia a la alta radiaci&oacute;n, menor tensi&oacute;n de agotamiento. Estos sensores son m&aacute;s propensos a tener un nivel m&aacute;s alto de ruido (menor relaci&oacute;n se&ntilde;al/ruido). Los sensores delgados generan se&ntilde;ales m&aacute;s peque&ntilde;as pero requieren material de menor presupuesto. El trabajo presentado se basa en el programa de haz de prueba en Fermilab dise&ntilde;ado para probar sensores para la fase-2 del detector de pixeles. Estos sensores est&aacute;n conectados al chip de lectura digital PSI46dig (actualmente est&aacute;n siendo utilizados en el detector de la fase 1) ya que son los &uacute;nicos disponibles en la actualidad. Los sensores se prueban a 120 GeV/c en el haz de protones en Fermilab Meson TestBeam Facility con un telescopio compuesto por ocho planos de m&oacute;dulos de pixeles para reconstruir las trayectorias de las part&iacute;culas cargadas que pasan a trav&eacute;s de los detectores bajo prueba (DUT, en sus siglas en ingl&eacute;s). Con los datos recolectados, cada sensor se caracteriza haciendo an&aacute;lisis de su eficiencia, resoluci&oacute;n espacial y recolecci&oacute;n de carga, teniendo la informaci&oacute; necesaria para poder comparar entre diferentes sensores con diferentes tama&ntilde;os y marcas de fabricaci&oacute;n.