3D Pixel Sensors and the ITkPix Readout Chip for the ATLAS Phase II Upgrade

Abstract

ATLAS-detektoren, som ligger 100 meter under bakken ved grensen mellom Sveits og Frankrike, måler partikler fra høyenergi-protonkollisjoner akselerert av LHC ved CERN. Partiklene blir først detektert i det innerste systemet i ATLAS, som består av flere lag med silisium-pikseldetektorer. Disse detektorene er for øyeblikket de mest presise til å måle par- tikler med ladning i høyenergifysikk, og spiller en avgjørende rolle i partikkelsporing og -identifikasjon i ATLAS. I 2026 vil ATLAS bli oppgradert for å imøtekomme kravene som stilles av den neste LHC-fasen med høyere intensitet (High-Luminosity LHC), hvor antall kollisjoner skal økes med en faktor på fem. Det nåverende indre detektorsystemet til ATLAS vil bli erstattet av ett nytt og forbedret system som kun består av silisum-detektorer, kalt In- ner Tracker (ITk). Piksel-detektorene ved ITk må tåle enorme strålingsnivåer samtidig som de må opprettholde høy deteksjonseffektivitet. Avansert 3D silisium-sensorteknologien har blitt valgt til dette formålet for de to innerste lagene i ITk på grunn av sin høye motstands- dyktighet mot stråleskade.

Denne avhandlingen undersøker 3D silisiumsensorer produsert av SINTEF for å avgjøre om de oppfyller ATLAS-spesifikasjonene for ITk. Sensorene blir bestrålt til de samme høye strålingsdosene som de ville ha blitt utsatt for etter fullført operasjonstid i LHC, og ytelsen deres blir deretter målt i strålingseksperimenter. Elektrisk karakterisering, inkludert I-V målinger, blir utført på sensorer før bestråling og på moduler etter bestråling. En egen analyse utføres på sensorer for å måle bøyningen som oppstår etter tynning av silisium- materialet.

RD53-organisasjonen ble opprettet for å utvikle den neste generasjonen av hybride pik- selutlesningschipper. ATLAS-oppgraderingen trenger chipper med mindre pikselstørrelser, høyere utlesningshastighet og høyere strålingstoleranse. Denne avhandlingen beskriver for- fatterens bidrag til FoU-arbeidet med ATLAS Inner Tracker Pixel (ITkPix)-chippene. En ny injeksjonsmetode ble implementert i programvaren YARR, som brukes for utlesning av chippen. Denne metoden brukes til å sende en dobbel injeksjon fra kalibreringselektron- ikken for å studere utlesningen av signalet i chippen. Den nye injeksjonsmetoden blir også brukt til å karakterisere lokale variasjoner i jordingen i chippen. I tillegg ble en forbedret tuningprosedyre i YARR-programvaren for ITkPix-chippen utviklet.

Ett spin-off prosjekt på ITkPix-chippen er også inkludert i denne avhandlingen, hvor et tynt lag av amorf selen (a-Se) blir lagt på chippen og deretter testet med en gammastrålek- ilde. Detektorer som har en sensorfilm direkte lagt på utlesningssiden av chippen, gir rom for nye bruksområder. Dette kan for eksempel være i den neste generasjonen av partikke- lakseleratorer som Future Circular Collider (FCC-ee), eller i medisinsk avbildning.

The ATLAS Detector, located beneath the surface at the Swiss-French border, measures the debris from high-energy proton-proton collisions accelerated by the Large Hadron Collider at CERN. The first point of particle detection occurs in the innermost subsystem of ATLAS, which consists of multiple layers of silicon pixel detectors. These detectors are currently the most precise charged particle detectors in the field of High-Energy Physics (HEP) and play a crucial role in particle tracking and identification. In 2026, the ATLAS detector will be upgraded to face the challenges imposed by the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), where the instantaneous luminosity will be increased by a factor of five over the current LHC instantaneous luminosity. The Inner Detector of ATLAS will be replaced by a new all-silicon tracker named the Inner Tracker (ITk). The pixel detectors of the ITk must withstand unprecedented radiation levels while maintaining high detection efficiency. Advanced 3D silicon pixel sensor technology is specifically chosen for the two innermost layers of the ITk due to its superior radiation hardness.

This thesis examines 3D silicon sensors manufactured by SINTEF to determine if they meet the ATLAS specifications for the ITk. The sensors are irradiated to high fluences cor- responding to lifetime operation at the HL-LHC, and their performance is measured in test beam experiments. Electrical characterization, including Current-Voltage (I-V) measure- ments, is performed on diced sensors before irradiation and on assembled modules after irradiation. A separate analysis is also conducted on diced sensors to measure sensor bow- ing, which is seen to emerge during thinning of the sensor support wafer.

The RD53 collaboration was established to develop the next-generation hybrid pixel read- out chips for the ATLAS upgrade. The goal of the collaboration was to develop chips with smaller pixel sizes, higher hit rate capability, and higher radiation tolerance. This thesis de- scribes the author’s contribution to the R&D work of the ATLAS ITkPix chips. The chip is studied by implementing a new calibration injection procedure into the YARR readout software [1], which injects a double pulse into the chip’s front end. By injecting two pulses in rapid succession, one can investigate the time separation needed to identify the pulses as separate hits. This method is also used to characterize local grounding variations within the chip. Additionally, an improved threshold tuning procedure is developed in the YARR software for the ITkPix chips.

The author participated in a spin-off project from the ITkPix chips, where the chip is coated with a thin layer of Amorphous Selenium (a-Se) and tested with a gamma source. Detectors created by directly adding a sensor film to bare readout chips offer broad potential applications, including next-generation colliders like the Future Circular Collider (FCC-ee) and medical imaging.