Trapping in proton irradiated p+-n-n+ silicon sensors at fluences anticipated at the HL-LHC outer tracker

W. Adam, T. Bergauer, M. Dragicevic, M. Friedl, R. Fruehwirth, M. Hoch, J. Hrubec, M. Krammer, W. Treberspurg, W. Waltenberger, S. Alderweireldt, W. Beaumont, X. Janssen, S. Luyckx, P. Van Mechelen, N. Van Remortel, A. Van Spilbeeck, P. Barria, C. Caillol, B. ClerbauxG. De Lentdecker, D. Dobur, L. Favart, A. Grebenyuk, Th Lenzi, A. Léonard, Th Maerschalk, A. Mohammadi, L. Perniè, A. Randle-Conde, T. Reis, T. Seva, L. Thomas, C. Vander Velde, P. Vanlaer, J. Wang, F. Zenoni, S. Abu Zeid, F. Blekman, I. De Bruyn, J. D'Hondt, N. Daci, K. Deroover, N. Heracleous, J. Keaveney, S. Lowette, L. Moreels, A. Olbrechts, Q. Python, S. Tavernier, P. Van Mulders, G. Van Onsem, I. Van Parijs, D. A. Strom, S. Basegmez, G. Bruno, R. Castello, A. Caudron, L. Ceard, B. De Callatay, C. Delaere, T. Du Pree, L. Forthomme, A. Giammanco, J. Hollar, P. Jez, D. Michotte, C. Nuttens, L. Perrini, D. Pagano, L. Quertenmont, M. Selvaggi, M. Vidal Marono, N. Beliy, T. Caebergs, E. Daubie, G. H. Hammad, J. Härkönen, T. Lampén, P. R. Luukka, T. Mäenpää, T. Peltola, E. Tuominen, E. Tuovinen, P. Eerola, T. Tuuva, G. Beaulieu, G. Boudoul, C. Combaret, D. Contardo, G. Gallbit, N. Lumb, H. Mathez, L. Mirabito, S. Perries, D. Sabes, M. Vander Donckt, P. Verdier, S. Viret, Y. Zoccarato, J. L. Agram, E. Conte, J. Ch Fontaine, J. Andrea, D. Bloch, C. Bonnin, J. M. Brom, E. Chabert, L. Charles, Ch Goetzmann, L. Gross, J. Hosselet, C. Mathieu, M. Richer, K. Skovpen, C. Pistone, G. Fluegge, A. Kuensken, M. Geisler, O. Pooth, A. Stahl, C. Autermann, M. Edelhoff, H. Esser, L. Feld, W. Karpinski, K. Klein, M. Lipinski, A. Ostapchuk, G. Pierschel, M. Preuten, F. Raupach, J. Sammet, S. Schael, G. Schwering, B. Wittmer, M. Wlochal, V. Zhukov, N. Bartosik, J. Behr, A. Burgmeier, L. Calligaris, G. Dolinska, G. Eckerlin, D. Eckstein, T. Eichhorn, G. Fluke, J. Garay Garcia, A. Gizhko, K. Hansen, A. Harb, J. Hauk, A. Kalogeropoulos, C. Kleinwort, I. Korol, W. Lange, W. Lohmann, R. Mankel, H. Maser, G. Mittag, C. Muhl, A. Mussgiller, A. Nayak, E. Ntomari, H. Perrey, D. Pitzl, M. Schroeder, C. Seitz, S. Spannagel, A. Zuber, H. Biskop, V. Blobel, P. Buhmann, M. Centis-Vignali, A. R. Draeger, J. Erfle, E. Garutti, J. Haller, M. Hoffmann, A. Junkes, T. Lapsien, S. Mättig, M. Matysek, A. Perieanu, J. Poehlsen, T. Poehlsen, Ch Scharf, P. Schleper, A. Schmidt, V. Sola, G. Steinbrück, J. Wellhausen, T. Barvich, Ch Barth, F. Boegelspacher, W. De Boer, E. Butz, M. Casele, F. Colombo, A. Dierlamm, R. Eber, B. Freund, F. Hartmann, Th Hauth, S. Heindl, K. H. Hoffmann, U. Husemann, A. Kornmeyer, S. Mallows, Th Muller, A. Nuernberg, M. Printz, H. J. Simonis, P. Steck, M. Weber, Th Weiler, A. Bhardwaj, A. Kumar, A. Kumar, K. Ranjan, H. Bakhshiansohl, H. Behnamian, M. Khakzad, M. Naseri, P. Cariola, G. De Robertis, L. Fiore, M. Franco, F. Loddo, G. Sala, L. Silvestris, D. Creanza, M. De Palma, G. Maggi, S. My, G. Selvaggi, S. Albergo, G. Cappello, M. Chiorboli, S. Costa, F. Giordano, A. Di Mattia, R. Potenza, M. A. Saizu, A. Tricomi, C. Tuvè, G. Barbagli, M. Brianzi, R. Ciaranfi, C. Civinini, E. Gallo, M. Meschini, S. Paoletti, G. Sguazzoni, V. Ciulli, R. D'Alessandro, S. Gonzi, V. Gori, E. Focardi, P. Lenzi, E. Scarlini, A. Tropiano, L. Viliani, F. Ferro, E. Robutti, M. Lo Vetere, S. Gennai, S. Malvezzi, D. Menasce, L. Moroni, D. Pedrini, M. Dinardo, S. Fiorendi, R. A. Manzoni, P. Azzi, N. Bacchetta, D. Bisello, M. Dall'Osso, T. Dorigo, P. Giubilato, N. Pozzobon, M. Tosi, A. Zucchetta, F. De Canio, L. Gaioni, M. Manghisoni, B. Nodari, V. Re, G. Traversi, D. Comotti, L. Ratti, G. M. Bilei, L. Bissi, B. Checcucci, D. Magalotti, M. Menichelli, A. Saha, L. Servoli, L. Storchi, M. Biasini, E. Conti, D. Ciangottini, L. Fanò, P. Lariccia, G. Mantovani, D. Passeri, P. Placidi, M. Salvatore, A. Santocchia, L. A. Solestizi, A. Spiezia, K. Androsov, P. Azzurri, S. Arezzini, G. Bagliesi, A. Basti, T. Boccali, F. Bosi, R. Castaldi, A. Ciampa, M. A. Ciocci, R. Dell'Orso, G. Fedi, A. Giassi, M. T. Grippo, T. Lomtadze, G. Magazzu, E. Mazzoni, M. Minuti, A. Moggi, C. S. Moon, F. Morsani, F. Palla, F. Palmonari, F. Raffaelli, A. Savoy-Navarro, A. T. Serban, P. Spagnolo, R. Tenchini, A. Venturi, P. G. Verdini, L. Martini, A. Messineo, A. Rizzi, G. Tonelli, F. Calzolari, S. Donato, F. Fiori, F. Ligabue, C. Vernieri, N. Demaria, A. Rivetti, R. Bellan, S. Casasso, M. Costa, R. Covarelli, E. Migliore, E. Monteil, M. Musich, L. Pacher, F. Ravera, A. Romero, A. Solano, P. Trapani, R. Jaramillo Echeverria, M. Fernandez, G. Gomez, D. Moya, F. J. Gonzalez Sanchez, F. J. Munoz Sanchez, I. Vila, A. L. Virto, D. Abbaneo, I. Ahmed, E. Albert, G. Auzinger, G. Berruti, G. Bianchi, G. Blanchot, H. Breuker, D. Ceresa, J. Christiansen, K. Cichy, J. Daguin, M. D'Alfonso, A. D'Auria, S. Detraz, S. De Visscher, D. Deyrail, F. Faccio, D. Felici, N. Frank, K. Gill, D. Giordano, P. Harris, A. Honma, J. Kaplon, A. Kornmayer, L. Kottelat, M. Kovacs, M. Mannelli, A. Marchioro, S. Marconi, S. Martina, S. Mersi, S. Michelis, M. Moll, A. Onnela, T. Pakulski, S. Pavis, A. Peisert, J. F. Pernot, P. Petagna, G. Petrucciani, H. Postema, P. Rose, M. Rzonca, M. Stoye, P. Tropea, J. Troska, A. Tsirou, F. Vasey, P. Vichoudis, B. Verlaat, L. Zwalinski, F. Bachmair, R. Becker, L. Bäni, D. Di Calafiori, B. Casal, L. Djambazov, M. Donega, M. Dünser, P. Eller, C. Grab, D. Hits, U. Horisberger, J. Hoss, G. Kasieczka, W. Lustermann, B. Mangano, M. Marionneau, P. Martinez Ruiz Del Arbol, M. Masciovecchio, L. Perrozzi, U. Roeser, M. Rossini, A. Starodumov, M. Takahashi, R. Wallny, C. Amsler, K. Bösiger, L. Caminada, F. Canelli, V. Chiochia, A. De Cosa, C. Galloni, T. Hreus, B. Kilminster, C. Lange, R. Maier, J. Ngadiuba, D. Pinna, P. Robmann, S. Taroni, Y. Yang, W. Bertl, K. Deiters, W. Erdmann, R. Horisberger, H. C. Kaestli, D. Kotlinski, U. Langenegger, B. Meier, T. Rohe, S. Streuli, P. H. Chen, C. Dietz, U. Grundler, W. S. Hou, R. S. Lu, M. Moya, R. Wilken, D. Cussans, H. Flacher, J. Goldstein, M. Grimes, J. Jacob, S. Seif El Nasr-Storey, J. Cole, P. Hobson, D. Leggat, I. D. Reid, L. Teodorescu, R. Bainbridge, P. Dauncey, J. Fulcher, G. Hall, A. M. Magnan, M. Pesaresi, D. M. Raymond, K. Uchida, J. A. Coughlan, K. Harder, J. Ilic, I. R. Tomalin, A. Garabedian, U. Heintz, M. Narain, J. Nelson, S. Sagir, T. Speer, J. Swanson, D. Tersegno, J. Watson-Daniels, M. Chertok, J. Conway, R. Conway, C. Flores, R. Lander, D. Pellett, F. Ricci-Tam, M. Squires, J. Thomson, R. Yohay, K. Burt, J. Ellison, G. Hanson, M. Malberti, M. Olmedo, G. Cerati, V. Sharma, A. Vartak, A. Yagil, G. Zevi Della Porta, V. Dutta, L. Gouskos, J. Incandela, S. Kyre, N. McColl, S. Mullin, D. White, J. P. Cumalat, W. T. Ford, A. Gaz, M. Krohn, K. Stenson, S. R. Wagner, B. Baldin, G. Bolla, K. Burkett, J. Butler, H. Cheung, J. Chramowicz, D. Christian, W. E. Cooper, G. Deptuch, G. Derylo, C. Gingu, S. Gruenendahl, S. Hasegawa, J. Hoff, J. Howell, M. Hrycyk, S. Jindariani, M. Johnson, A. Jung, U. Joshi, F. Kahlid, C. M. Lei, R. Lipton, T. Liu, S. Los, M. Matulik, P. Merkel, S. Nahn, A. Prosser, R. Rivera, A. Shenai, L. Spiegel, N. Tran, L. Uplegger, E. Voirin, H. Yin, M. R. Adams, D. R. Berry, A. Evdokimov, O. Evdokimov, C. E. Gerber, D. J. Hofman, B. K. Kapustka, C. O'Brien, D. I. Sandoval Gonzalez, H. Trauger, P. Turner, N. Parashar, J. Stupak, D. Bortoletto, M. Bubna, N. Hinton, M. Jones, D. H. Miller, X. Shi, P. Tan, P. Baringer, A. Bean, G. Benelli, J. Gray, D. Majumder, D. Noonan, S. Sanders, R. Stringer, A. Ivanov, M. Makouski, N. Skhirtladze, R. Taylor, I. Anderson, D. Fehling, A. Gritsan, P. Maksimovic, C. Martin, K. Nash, M. Osherson, M. Swartz, M. Xiao, J. G. Acosta, L. M. Cremaldi, S. Oliveros, L. Perera, D. Summers, K. Bloom, S. Bose, D. R. Claes, A. Dominguez, C. Fangmeier, R. Gonzalez Suarez, F. Meier, J. Monroy, K. Hahn, S. Sevova, K. Sung, M. Trovato, E. Bartz, D. Duggan, E. Halkiadakis, A. Lath, M. Park, S. Schnetzer, R. Stone, M. Walker, S. Malik, H. Mendez, J. E. Ramirez Vargas, M. Alyari, J. Dolen, J. George, A. Godshalk, I. Iashvili, J. Kaisen, A. Kharchilava, A. Kumar, S. Rappoccio, J. Alexander, J. Chaves, J. Chu, S. Dittmer, G. Kaufman, N. Mirman, A. Ryd, E. Salvati, L. Skinnari, J. Thom, J. Thompson, J. Tucker, L. Winstrom, B. Akgün, K. M. Ecklund, T. Nussbaum, J. Zabel, B. Betchart, R. Covarelli, R. Demina, O. Hindrichs, G. Petrillo, R. Eusebi, I. Osipenkov, A. Perloff, K. A. Ulmer, A. G. Delannoy, P. D'Angelo, W. Johns

Research output: Contribution to journalArticlepeer-review

7 Scopus citations

Abstract

The degradation of signal in silicon sensors is studied under conditions expected at the CERN High-Luminosity LHC. 200μm thick n-type silicon sensors are irradiated with protons of different energies to fluences of up to 3 · 1015 neq/cm2. Pulsed red laser light with a wavelength of 672 nm is used to generate electron-hole pairs in the sensors. The induced signals are used to determine the charge collection efficiencies separately for electrons and holes drifting through the sensor. The effective trapping rates are extracted by comparing the results to simulation. The electric field is simulated using Synopsys device simulation assuming two effective defects. The generation and drift of charge carriers are simulated in an independent simulation based on PixelAV. The effective trapping rates are determined from the measured charge collection efficiencies and the simulated and measured time-resolved current pulses are compared. The effective trapping rates determined for both electrons and holes are about 50% smaller than those obtained using standard extrapolations of studies at low fluences and suggest an improved tracker performance over initial expectations.

Original languageEnglish (US)
Article numberP04023
JournalJournal of Instrumentation
Volume11
Issue number4
DOIs
StatePublished - Apr 22 2016

Bibliographical note

Funding Information:
The research leading to these results has received funding from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project AIDA, grant agreement no. 262025. The information herein only reflects the views of its authors and not those of the European Commission and no warranty expressed or implied is made with regard to such information or its use. Support was also provided by the Helmholtz Alliance “Physics at the Terascale” and the German Ministry of Science, BMBF, through the Forschungsschwerpunkt “Particle Physics with the CMS-Experiment”. The measurements presented in this document have been performed at the University of Hamburg.

Keywords

  • Charge transport
  • Detector modelling and simulations II (electric fields
  • Electron emission
  • Etc)
  • Multiplication and induction
  • Pulse formation
  • Radiation damage to detector materials (solid state)
  • Radiation-hard detectors
  • Si microstrip and pad detectors

Fingerprint Dive into the research topics of 'Trapping in proton irradiated p<sup>+</sup>-n-n<sup>+</sup> silicon sensors at fluences anticipated at the HL-LHC outer tracker'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this