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Conception et caractérisation des capteurs à pixels pour l’upgrade du trajectographe de l’expérience ATLAS au LHC

Equipe et responsable de groupe : Atlas responsable Philippe Schwemling

Directeur de thèse : Jacques Chauveau

Autres co-encadrants : Giovanni Marchiori

tél : 01 44 27 72 54

e-mail : jacques.chauveau lpnhe.in2p3.fr

Titre : Conception et caractérisation des capteurs à pixels pour l’upgrade du trajectographe de l’expérience ATLAS au LHC

Le LHC prend des données à depuis le printemps 2010. Après plus d’un an à basse luminosité, les interventions qu’il subira en 2012 permettront au collisionneur d’atteindre l’énergie de 14 TeV et la luminosité de nominales afin d’intégrer une luminosité d’environ 60 fb$^{-1}$ d’ici 2015. Une première phase (phase-1) d’améliorations (upgrades) de la machine et des détecteurs aura lieu en 2016. Le collisionneur fonctionnera ensuite 3 ans avec une luminosité pour collecter 300 fb$^{-1}$. Une seconde phase d’améliorations (phase-2) en 2020 permettra une exploitation à haute luminosité visant à accumuler 3000 fb$^{-1}$. L’objectif du programme d’upgrade d’ATLAS est de maintenir les performances du détecteur pendant toute son exploitation au niveau permettant d’étendre au maximum le domaine de recherche de Nouvelle Physique (NP) et de pousser dans ses retranchements le Modèle Standard (MS). Le taux de collisions sans précédent place des contraintes qui n’ont encore jamais été explorées sur les détecteurs, en termes de tenue aux radiations, ainsi qu’en termes de résolution spatiale afin de préserver la capacité à distinguer les traces proches. Divers types de capteurs sont actuellement en cours de conception et de caractérisation pour le trajectographe, domaine dans lequel le LPNHE à choisi de s’impliquer. L’insertion d’une couche interne de capteurs à pixels en silicium au plus près des faisceaux (Insertable B-layer, IBL) est prévue pendant la phase-1. Pendant la phase-2, le remplacement complet des éléments du trajectographe interne est envisagé.

Les capteurs silicium à pixels planaires qui forment les couches internes du détecteur actuel exigent des solutions nouvelles pour résister à des flux intégrés supérieurs à 1016 neutrons équivalents par cm2, avec une taille de pixel réduite afin de limiter le taux d’occupation. Le sujet de thèse proposé porte sur la conception et la caractérisation de ces détecteurs.
La R&D sur les détecteurs à pixels planaires
Les détecteurs à pixels n-in-n ont été soumis à nombreux tests d’irradiation ; ils fonctionnent bien jusqu’à des flux intégrés typiques de 1015 neutrons équivalents par cm2. Si l’on adopte des pixels planaires en silicium, cette technologie pourrait donc être le meilleur choix pour la partie interne du trajectographe d’ATLAS. Cependant, les substrats p ont récemment montré moins de capture d’électrons à des fluences élevées, ce qui permet une très bonne tenue aux radiations. De plus, leur fabrication qui ne requiert qu’un traitement simple-face des plaquettes implique une réduction conséquente des coûts. Les deux technologies n-in-n et n-in-p devront être évaluées par rapport à leurs performances spécifiques à haute dose intégrée, sur la base de la caractérisation des détecteurs et de la simulation pour différentes options d’agencement de leurs constituants. Le système pixel n-in-n actuellement installé dans ATLAS est pris comme point de départ, mais la taille du pixel sera ensuite choisie selon l’optimum issu des simulations physiques et correspondra à la puce FE-I4, l’évolution du chip de lecture actuel FE-I3 d’ATLAS. Le FE-I4, beaucoup plus grand, se couple à de plus petits pixels (50x250 $\mu $m). Le fait que de plus en plus de fonderies produisent des capteurs n-in-p compétitifs sur divers types de plaquettes, motive l’étude de cette option pour les détecteurs. Des détecteurs à micropistes n-in-p montrent une collection des charges satisfaisante même à des doses importantes (10$^{16}$ neutrons équivalents). Sur ce point, le travail consistera à effectuer dans la salle propre d’une part, en faisceau-test d’autre part, des mesures de caractérisation des propriétés électriques et physiques de ces capteurs.

Simulations Numériques
Une des premières étapes pour la conception du capteur est l’utilisation de techniques de simulation numérique pour optimiser la structure du détecteur. Ceci est d’une importance capitale pour limiter le temps de développement et réduire le nombre de prototypes nécessaires à l’évaluation des propriétés du capteur. Le logiciel Silvaco TCAD, permet de déterminer la distribution du champ électrique dans le silicium et d’estimer des grandeurs électriques, comme le courant de fuite et les capacités entre divers implants, en fonction des paramètres géométriques et du dopage des implants. Par exemple, la configuration des anneaux de garde (nombre, largeur, séparation) et l’étude du dessin du bord du capteur permettront d’optimiser l’acceptance géométrique des futurs systèmes de pixels d’ATLAS en minimisant la zone inactive à la frontière du détecteur. Les résultats seront comparés à la caractérisation des dispositifs de tests en laboratoire. L’effet des concentrations effectives de dopage sur les courants de fuite pour divers taux d’irradiation pourrait également être étudié avec ces simulations et comparé avec des mesures en salle blanche.

Simulation physique
Chaque option de R et D prometteuse sera testée sur des processus physiques de référence à l’aide de la simulation d’ATLAS et les résultats comparés aux performances du détecteur actuel, telles que mesurées sur les données des collisions expérimentales.

Lieu de travail : LPNHE - Paris

Déplacements éventuels : missions régulières au CERN à Genève

Documentation : http://lpnhe-atlas.in2p3.fr/Atlas/index.html

Contact :

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