Abstract:
Sowohl aus der Grundlagenforschung als auch aus der angewandten Wissenschaft sind Halbleiterbauelemente nicht mehr wegzudenken. Ihre Anwendung reicht von der Mikro- und Leistungselektronik bis hin zur Optoelektronik und zu Sensoren. Allgemein gesprochen ist ein Sensor ein nicht weiter definiertes Gerät, das ein physisches Signal aus seiner Umgebung detektiert oder misst und in lesbare oder prozessierbare Information übersetzt. Viele konventionelle Halbleiterelemente, einschließlich Photodioden, Transistoren und Solarzellen, fungieren als Sensoren, indem sie auf elektrische, optische oder radioaktive Stimuli reagieren. ... mehrTrotz zahlreicher Alternativen ist Silizium wegen seiner günstigen elektronischen Eigenschaften, des ausgereiften Produktionsprozesses, der Skalierbarkeit und der Verfügbarkeit weiterhin das dominierende Material im Sensordesign.
In dieser Doktorarbeit werden die Entwicklung und Charakterisierung von fortschrittlichen siliziumbasierten Teilchendetektoren für die Beschleunigerphysik sowohl in der Hochenergiephysik (HEP) als auch in der Medizinphysik vorgestellt. Sie umfasst dabei die gesamte Detektorentwicklungskette von konzeptuellem Design und physikalischer Modellierung bis hin zu Labortests und Modulbau. Während Festkörperdetektoren in der Hochenergiephysik, wo die Leistungsanforderungen hinsichtlich Ortsauflösung, Zeitauflösung und Strahlenhärte stetig wachsen, seit langem etabliert sind, gibt es auch ein wachsendes Interesse daran, sie in medizinische Anwendungen wie der Hadronentherapie einzusetzen, wo ihre schnelle Ansprechzeit und Präzision die Strahlmonitorsysteme verbessern können.
Zwei verschiedene Monolithische Aktive Pixel-Sensortechnologien (MAPS) werden untersucht: Hochvolt-CMOS (HV-CMOS) für den Einsatz in großen Teilchenphysikexperimenten und medizinischen Teilchenbeschleunigern einerseits und Bipolar-CMOS (BiCMOS) als Grundlage für strahlenharte Detektoren mit hoher Zeitauflösung andererseits. Ein detailliertes Technology Computer-Aided Design (TCAD) Simulationsframework wurde zur Sensorsimulation entwickelt, um deren Geometrie zu optimieren, das Durchbruchverhalten zu untersuchen und ihr Verhalten unter Bestrahlung vorherzusagen. Dessen Simulationsergebnisse leiteten den Designprozess und die weitere Chipentwicklung an. Ausgiebige Charakterisierung der produzierten Sensoren wurde unter Einsatz von radioaktiven Quellen, Ladungsinjektionen, Röntgenröhren und Teilchenstrahlen durchgeführt, um die Simulationsmodelle zu verifizieren und die Detektorleistung zu optimieren. Diese Arbeit demonstriert, wie Modellierung zur Verhaltensvorhersage und systematisches Testen, das robuste und skalierbare Design von Sensoren ermöglichen, die auf die spezifischen Anforderungen sowohl von HEP als auch von medizinischen Anwendungen zugeschnitten sind.
Zusätzlich zur Sensorentwicklung beinhaltet diese Arbeit auch praktische Erfahrungen aus der Verbindungstechnik für hochintegrierte Schaltungen und aus dem Detektormodulbau, wie durch die Mitwirkung am Silizium Tracker System des Komprimierte Baryonische Materie Experiments (CBM) gezeigt wurde. Dies hebt die Wichtigkeit von Wissen über die praktische Integration und Produktion von tatsächlichen Detektorsystemen hervor.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit auf, wie entscheidend es ist, alle Schritte einer Entwicklung von der physikalischen Modellierung und Prozessoptimierung bis hin zur experimentellen Validierung und Systemintegration im Blick zu haben, um die nächste Generation von siliziumbasierten Detektoren für die Teilchenphysik voranzubringen.
Abstract (englisch):
Semiconductor devices have become essential tools in both fundamental research and applied technologies. Their applications span from microelectronics and power devices to optoelectronics and sensors. Broadly defined, a sensor is any device that detects or measures physical signals from the external environment and converts them into readable or processable information. Many conventional semiconductor devices, including photodiodes, transistors, and solar cells, function as sensors by responding to electrical, optical, or radioactive stimuli. Among the various materials used for sensor development, silicon remains the dominant platform due to its favourable electronic properties, process maturity, scalability, and availability.
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This thesis presents the development and characterisation of advanced silicon-based particle detectors for accelerator-driven applications in both high-energy physics (HEP) and medical physics. The work covers the full detector development chain, from conceptual design and physical modelling to laboratory testing and complete module assembly. While solid-state detectors are well-established in high-energy physics, where performance requirements continue to grow in terms of spatial resolution, timing precision, and radiation hardness, there is also increasing interest in their implementation in medical applications such as hadron therapy, where their fast response and precision can improve beam monitoring systems.
Two core Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) technologies are explored: High-Voltage CMOS (HV-CMOS) for use in large-scale particle physics experiments and medical accelerators, and Bipolar CMOS (BiCMOS) as a base for high-speed, radiation-tolerant detectors. A detailed Technology Computer-Aided Design (TCAD) simulation framework was developed to optimise device geometry, to evaluate breakdown behaviour, and to predict behaviour under irradiation. These results guided the design and further chip development. Extensive characterisation of the fabricated sensors was performed using radioactive sources, charge injection, X-ray tubes, and particle beams to validate simulation models and optimise detector performance. This work demonstrates how predictive modelling and systematic testing can enable robust, scalable sensor designs tailored to the specific requirements of both HEP and medical applications.
In addition to sensor development, this work includes hands-on experience in high-density interconnection techniques and full module assembly, as demonstrated through contributions to the Silicon Tracking System (STS) of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment. This highlights the importance of integrating practical knowledge and production expertise in real-world detector systems.
Altogether, the thesis demonstrates the necessity of addressing all stages of development, from physical modelling and process optimisation to experimental validation and system integration, to advance the next generation of silicon-based detectors for particle physics and beyond.
