Development of GaAs pixel detectors

Breibach, Jörg; Lübelsmeyer, Klaus

doi:25

Development of GaAs pixel detectors

Breibach, Jörg (Author)

2000

VerantwortlichkeitsangabeJörg Breibach

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2000

UmfangVI, 139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2000

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lübelsmeyer, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2000-08-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-258
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56137/files/Breibach_Joerg.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; LHC (frei) ; Halbleiterdetektor (frei) ; Galliumarsenid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der Fortschritt in der Hochenergiephysik ist eng verknüpft mit der erfolgreichen Weiterentwicklung von Teilchenbeschleunigern und von Systemen zum Nachweis von elementaren Teilchen. Im Jahre 2005 wird der Large Hadron Collider mit der Produktion von p-p-Paaren, mit einer Schwerpunktsenergie von 14TeV und einer Luminosität von 1034cm-2s-1, den Betrieb aufnehmen. Das experimentelle Programm ist bestimmt von der Suche nach neuen Teilchen und ausgiebigen Tests des Standardmodells der Teilchenphysik. Sowohl die hohe Luminosität sowie die hohe Teilchenmultiplizität in Verbindung mit den kurzen Zeitintervallen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilchenpaketen, stellen hohe Anforderungen an die Detektoren dar : Schnelle Signalverarbeitung, eine hohe Dichte an Auslesekanälen und eine exzellente Strahlenhärte der Sensoren sowie der Elektronik sind von grundlegender Bedeutung. Die Halbleiterpixeldetektoren, die im innersten Bereich der Spurvermessungsdetektoren dem Strahlrohr am nächsten sind, müssen diese Bedingungen erfüllen. In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung von Galliumarsenid (GaAs) Pixeldetektoren, für die Installation im Compact Muon Solenoid Experiment (CMS), untersucht. Zunächst wird in der Einleitung die Physik am LHC sowie der Aufbau des CMS-Pixeldetektors kurz beschrieben. In Kapitel 2 und 3 werden die Funktionsweise und die Herstellung von Teilchendetektoren aus semiisolierendem GaAs erklärt. Für die Herstellung von hybriden GaAs Pixeldetektoren muß ein Bump-Bonding Prozeß entwickelt werden; um die Sensoren mit der Ausleseelektronik zu verbinden. Das Funktionsprinzip dieser Technologie sowie die dazu notwendigen Optimierungsschritte sind in Kapitel 4 dargelegt. Um den Einfluß des Bump-Bonding Prozesses auf die Funktion der Pixel Detektoren zu untersuchen wurden Messungen an speziellen Prozeßmonitiordioden und an bump-gebondeten Sensoren vorgenommen. Diese Messungen und weitere Ausbeutemessungen an Bump-Bonding Verbindungen werden in Kapitel 5 vorgestellt. Die Eignung von GaAs Pixeldetektoren für die präzise Vermessung von Spuren hochenergetischer Teilchen wurde mit einem Strahltest untersucht. Eine Beschreibung des Meßaufbaus und der erzielten Ergebnisse sind in Kapitel 6 aufgeführt. Da diese Untersuchungen mit einem nicht-hybriden Detektor durchgeführt wurde, müssen weitere Untersuchungen an hybriden Detektormodulen vorgenommen werden. In Kapitel 7 wird der AC30 Auslesechip mit seinen Grundfunktionen beschrieben. In Kapitel 8 sind die Untersuchungen der Eigenschaften der Detektormodule, jeweils bestehend aus einem GaAs Pixeldetektor und einem AC30 Auslesechip, dargestellt. Abschließend wird der die Auslese des mit dem AC30-Chip bump-gebondeten GaAs Pixeldetektors, mit Hilfe eines radioaktiven Präparates, getestet.

Progress in elementary particle physics is closely related to the technological efforts in the development of particle colliders and detection systems. In 2005 the Large Hadron Collider will start producing pp-collisions at a centre of mass energy of 14TeV and a luminosity up to 1034cm-2s-1. The experimental programme will be dominated by searches for new particles and extended tests of the standard model of elementary particle physics. The high luminosity as well as the high particle multiplicity and the small time interval between successive bunches place demanding requirements on the two general purpose detectors: fast signal formation and readout, a high density of channels and radiation hardness of sensors and electronics are essential. Semiconductor pixel detectors, installed closest to the beam pipe in the innermost part of the tracking systems, must cope with these constrains. This work concentrates on the applicability of pixel detectors made of Gallium Arsenide for the installation into the Compact Muon Spectrometer (CMS) experiment. An introduction containing a brief description of the physics at the LHC and of the CMS pixel detector is given first. In chapters 2 and 3 the working principles and the processing of particle detectors made of semiinsulating GaAs are explained. For the hybrid GaAs pixel detectors the bump-bonding of the sensors to the electronics had to be developed. The principle of this technology and its optimization is described in chapter 4. In order to investigate the influence of the bump-bonding process on the operation of the pixel detector, measurements of process monitor diodes and of bump-bonded sensors have been performed. These measurements as well as yield tests of the bump-bonds are presented in chapter 5. The applicability of GaAs pixel detectors for precise tracking measurements of high energetic particles has been examined in a beam test. A description of the setup and the results obtained is given in chapter 6. Since this beam test was performed using a non hybrid GaAs pixel detector, further investigations on the properties of the hybrid detector modules have to be performed. In chapter 7 a description of the AC30 frontend chip is given. In chapter 8 the properties of the module consisting of a GaAs pixel detector and the AC30 readout chip are studied. Finally the readout of the bump-bonded GaAs pixel detector bump bonded to the AC30 chip is tested using a radioactive source.

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