Feasibility of Geiger-mode avalanche photodiodes in CMOS standard technologies for tracker detectors

摘要

[cat] Aquesta tesi presenta el desenvolupament d’un detector de píxels de GAPDs (Geiger-mode Avalanche PhotoDiodes) dedicat principalment a rastrejar partícules en futurs col•lisionadors lineals. Els GAPDs ofereixen unes qualitats extraordinàries per satisfer els requisits extremadament exigents d’ILC (International Linear Collider) i CLIC (Compact LInear Collider), els dos projectes per la propera generació de col•lisionadors que s’han proposat fins a dia d’avui. Entre aquestes qualitats es troben una sensibilitat extremadament elevada, un guany virtualment infinit i una resposta molt ràpida, a part de ser compatibles amb les tecnologies CMOS estàndard. En concret, els detectors de GAPDs fan possible la conversió directa d’un esdeveniment generat per una sola partícula en un senyal CMOS digital amb un temps inferior al nanosegon. Com a resultat d’aquest fet, els GAPDs poden ser llegits després de cada bunch crossing (la col•lisió de les partícules), una qualitat única que cap dels seus competidors pot oferir en el moment actual. Malgrat tots aquests avantatges, els detectors de GAPDs pateixen dos grans problemes. D’una banda, existeixen fenòmens de soroll inherents al sensor, els quals indueixen polsos de soroll que no poden ser distingits dels esdeveniments reals generats per partícules i que a més empitjoren l’ocupació del detector a nivells inacceptables. D’altra banda, el fill-factor (és a dir, l’àrea sensible respecte l’àrea total) és molt baix i redueix l’eficiència detectora. En aquesta tesi s’han investigat solucions als dos problemes comentats i que a més compleixen amb les especificacions altament severes dels futurs col•lisionadors lineals. El detector de píxels de GAPDs, el qual ha estat monolíticament integrat en un procés HV-CMOS estàndard de 0.35 μm, incorpora circuits de lectura en mode voltatge que permeten operar el sensor en l’anomenat mode time-gated per tal de reduir el soroll detectat. L’eficiència de la tècnica proposada queda demostrada amb la gran varietat d’experiments que s’han dut a terme. Els resultats del beam-test dut a terme al CERN indiquen la capacitat del detector de píxels de GAPDs per detectar partícules altament energètiques. A banda d’això, també s’han estudiat els beneficis d’integrar un detector de píxels de GAPDs en un procés 3D per tal d’incrementar el fill-factor. L’anàlisi realitzat conclou que es poden assolir fill-factors superiors al 90%.