Characterisation of CMOS Sensors for the Belle II Vertex Detector Upgrade

by Marike Schwickardi
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-06-11
Date of issue:2024-07-12
Advisor:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:PD Dr. Jörn Große-Knetter
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10611

 

 

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Abstract

English

The Belle II experiment at KEK in Japan plans to upgrade the SuperKEKB accelerator by the end of the decade. This gives rise to the opportunity to upgrade the current vertex detector system to address the high background levels caused by the increased luminosity of the collider. One proposal for upgrading the vertex detector is to install a 5-layer all monolithic pixel vertex detector based on fully depleted CMOS DMAPS chips. The new system plans to use the OBELIX chips to improve background robustness and reduce occupancy levels through small and fast pixels. This causes better track finding, especially for low transverse momenta tracks. The OBELIX sensor is slated for submission in the summer of 2024, while its predecessor, the TJ-Monopix2, is undergoing testing. Since the TJ-Monopix2 serves as the baseline for the OBELIX and the matrix design will be carried over, a thorough characterisation and performance study is imperative. The thesis presents a comprehensive study of the TJ-Monopix2. Laboratory and electron beam tests were conducted on five modules with various front-end designs and substrate types, including irradiated modules. Four front-end designs were tested. Two are AC-coupled, and two are DC-coupled, while each design was separated into CASCODE and non-CASCODE designs. Despite encountering tuning difficulties with one module post-irradiation, all tuneable modules and front-end designs demonstrated stable operation at thresholds around 300 e−. AC-coupled front-end designs exhibited lower noise levels, potentially impacting threshold dispersion post-irradiation. Test beam measurements revealed stable operation of all TJ-Monopix2 modules. Depletion depth studies indicated similar depths for all flavours under different biases, but AC-coupled designs showed a significant signal loss, leading to reduced efficiency. Despite lacking calibrated cluster signal results for irradiated sensors, TJ-Monopix2 configurations met performance requirements for the Belle II upgrade, excelling in spatial resolution below 10 µm and efficiencies above 97%. Suggestions for maintaining both DC and AC-coupled pixels in the OBELIX design are proposed, pending further studies on irradiated modules. Looking ahead, progress continues on the OBELIX design, aligning with preparations for the conceptual design report for the VTX Belle II upgrade by the end of the decade.
Keywords: Belle II-Experiment; Belle II; SuperKEKB; Vertex Detector; CMOS DMAPS; OBELIX Chip; TJ-Monopix2; VTX Belle II Upgrade

German

Das Belle II-Experiment am KEK in Japan plant, den Beschleuniger SuperKEKB bis zum Ende des Jahrzehnts aufzurüsten. Dies bietet die Möglichkeit, das derzeitige Vertex-Detektor-System zu verbessern, um den durch die erhöhte Luminosität des Kolliders verursachten hohen Untergrund zu bewältigen. Ein Vorschlag für das Upgrade des Vertex-Detektors ist die Installation eines 5-lagigen Monolith-Pixel-Vertex-Detektors auf Basis vollständig depletierter CMOS-DMAPS-Chips. Die OBELIX-Chips sollen verwendet werden, um die Robustheit gegenüber Untergrundrauschen zu verbessern und die Okkupanz durch kleine und schnelle Pixel zu reduzieren. Dies führt zu einer besseren Spur-Findung, insbesondere für Spuren mit geringem Transversalimpuls. Das OBELIX-Sensordesign soll im Sommer 2024 eingereicht werden, während sein Vorgänger, der TJ-Monopix2, derzeit getestet wird. Da der TJ-Monopix2 als Referenz für den OBELIX dient und das Matrixdesign übernommen wird, ist eine gründliche Charakterisierung und Leistungsstudie unerlässlich. Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie des TJ-Monopix2. Labor- und Elektronenstrahltests wurden an fünf verschiedenen Modulen mit verschiedenen Frontend-Designs und Substrattypen durchgeführt, einschließlich bestrahlter Module. Vier Frontend-Designs wurden getestet. Zwei sind AC-gekoppelt und zwei DC-gekoppelt, wobei jedes Design in CASCODE und Nicht-CASCODE-Designs unterteilt war. Trotz Schwierigkeiten beim Tuning eines Moduls nach Bestrahlung zeigten alle einstellbaren Module und Frontend-Designs eine stabile Funktion bei Schwellenwerten von ca. 300 e⁻. AC-gekoppelte Frontend-Designs wiesen niedrigere Rauschpegel auf, die potenziell die Schwellenwertdispersion nach Bestrahlung beeinflussen könnten. Messungen im Teststrahl zeigten eine stabile Funktion aller TJ-Monopix2-Module. Studien zur Depletionstiefe ergaben ähnliche Tiefen für alle Varianten bei unterschiedlichen Vorspannungen, aber AC-gekoppelte Designs zeigten einen signifikanten Signalverlust, was zu einer verringerten Effizienz führte. Trotz fehlender kalibrierter Cluster-Signalergebnisse für bestrahlte Sensoren erfüllten TJ-Monopix2-Konfigurationen die Leistungsanforderungen für das Upgrade von Belle II, insbesondere in der räumlichen Auflösung unter 10 μm und Effizienzen über 97 %. Pläne zur Aufrechterhaltung sowohl von DC- als auch von AC-gekoppelten Pixeln im OBELIX-Design werden vorgelegt, vorbehaltlich weiterer Studien an bestrahlten Modulen. In Zukunft wird die Entwicklung des OBELIX-Designs fortgesetzt, parallel zu den Vorbereitungen für den Konzeptentwurfsbericht für das VTX Belle II-Upgrade bis zum Ende des Jahrzehnts.
 
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