Investigation of DEPFET as vertex detector at ILC [Elektronische Ressource] : intrinsic properties, radiation hardness and alternative readout schemes / Stefan Rummel

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• Physik

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 25
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 16 Mo

Extrait

 
 
TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

MAX PLANCK INSTITUT FÜR PHYSIK

Investigation of DEPFET as Vertex Detector at ILC
-
Intrinsic properties, radiation hardness
and
alternative readout schemes

Stefan Rummel

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität München zur
Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.



Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weise
Prüfer der Dissertation: 1. Hon.-Prof. Allen Caldwell, Ph.D.
2. Univ.-Prof. Dr. Stephan Paul


Die Dissertation wurde am 08.06.2009 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät für Physik am 20.07.2009 angenommen.

By three methods we may learn wisdom:
"
rst, by re ection, which is noblest;
second, by imitation, which is easiest;
and third by experience, which is the bitterest.\
ConfuciusContents
1 Introduction 1
2 ILC Project 5
2.1 The physics case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The Linear collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Detector concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 ILC Vertex detector 15
3.1 Working principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Detector requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 Material budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 Power dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.4 Readout speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.5 Radiation hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 The DEPFET concept 26
4.1 Sidewards depletion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 DEPFET working principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 The MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4 Readout concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.5 Matrix operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 Clear concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.6.1 Clocked clear mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6.2 Continuous clear mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7 DEPFET for ILC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7.2 ILC layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 DEPFET based applications 41
5.1 DEPFET in X-ray imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 RNDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 FEL instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4 Belle upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 Noise in semiconductor devices 44CONTENTS iii
6.1 Impact of noise to the system performance . . . . . . . . . . . . . 44
6.1.1 E ciency and fake hit rate . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.1.2 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2 Noise sources in semiconductor detectors . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.1 Thermal noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2.2 Low frequency noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2.3 Shot noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 Response of readout schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3.1 Response of RC-CR shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3.2 Response of CDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7 R&D towards an ILC module 52
7.1 Thinning technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.2 Interconnection technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.3 ASIC development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.3.1 Frontend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.3.2 Switcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.4 Module layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.5 Performance of a DEPFET VTX detector . . . . . . . . . . . . . 59
I DEPFET intrinsic properties 62
8 Intrinsic noise of the DEPFET 63
8.1 Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Low frequency noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3 White noise at high BW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.4 Summary of the intrinsic noise of the DEFPET . . . . . . . . . . 67
9 Internal Ampli cation 71
9.1 Internal ampli cation and noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.2 Measurement of the internal ampli cation . . . . . . . . . . . . . 72
9.3 Internal studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
9.3.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.3.2 Current dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.3.3 Gate length dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.3.4 Gate width dep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
10 Dynamic range 81
10.1 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.1.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.1.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.2 Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83CONTENTS iv
11 Clear behavior 84
11.1 Clear performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11.1.1 System performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11.1.2 The comparison method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11.2 In CCG con guration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.2.1 Clear high level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.2.2 Clear low level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
11.2.3 Gain modulation with clear gate . . . . . . . . . . . . . . 91
11.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
12 Capacitive coupled clear gate 96
12.1 CCCG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
12.2 Direct measurement of the coupling . . . . . . . . . . . . . . . . 97
12.2.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
12.2.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.2.3 Comparison with Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.2.4 Impact on matrix operation . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.3 Matrix measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.3.1 Matrix optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.3.2 Performance of the CCCG matrix . . . . . . . . . . . . . 103
12.3.3 Iron 55 spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
12.4 CCCG Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
II Radiation Hardness of DEPFET active pixel sensors 112
13 e ects on Semiconductor Detectors 113
13.1 Non ionizing radiation damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.1.1 Leakage current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13.1.2 Change of e ective doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.1.3 Decrease of trapping time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.2 Ionizing radiation damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.2.1 Threshold voltage shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.2.2 Interface states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
13.3 Questions to be answered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
14 Impact of bulk damage 121
14.1 Analysis of irradiated samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
14.1.1 Neutron irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
14.1.2 Proton irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
14.2 Expectation from NIEL scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
14.3 Impact on detector performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
15 Interface damage 128
15.1 Single pixel irradiations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
15.1.1 Proton irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
15.1.2 Gamma irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130CONTENTS v
15.2 Mini matrix irradiation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
15.3 Measurement program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
15.4 Gate and clear gate threshold shifts . . . . . . . . . . . . . . . . 133
15.4.1 Threshold shift of the gate . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
15.4.2 shift of the clear gate . . . . . . . . . . . . . . 13