Resumo: Os sensores CMOS monolíticos são particularmente atrativos para o rastreamento de partículas carregadas em experimentos de física de altas energias devido a características como baixo ruído, baixo consumo de potência, e baixo custo de fabricação. O projeto Tangerine tem como objetivo desenvolver e testar novos protótipos de detectores projetados em um novo processo de fabricação de complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) de 65 nm. Para melhorar ainda mais o desempenho desses sensores, esta dissertação investiga uma geometria alternativa de pixel - uma matriz de pixeis hexagonais - que tem vários benefícios potenciais em relação às geometrias convencionais de pixel quadrado ou retangular. Nesta dissertação, um design de sensor com pixel de formato hexagonal foi implementado em uma camada epitaxial de alta resistividade e, em seguida, simulado integrando um modelo detalhado de campo elétrico proveniente de uma simulação de elementos finitos usando o Technology Computer-Aided Design (TCAD) em uma simulação baseada em Monte Carlo com o framework Allpix Squared. As simulações são realizadas para um sensor monolítico de pixel ativo (MAPS) em tecnologia CMOS de 65 nm, com duas disposições de pixel - padrão e n-gap - em um design de eletrodo de coleta pequeno. O desempenho dessas disposições é comparado em termos de eficiência, tamanho de cluster e resolução. Uma breve comparação entre as geometrias de pixel quadrado e hexagonal também é conduzida. Os pixels hexagonais usados nas simulações têm um tamanho de 35 microns. Além disso, é feita uma comparação entre os formatos de pixel hexagonal e quadrado com a mesma área. Os resultados indicam que a implementação de disposições em pixels hexagonais foi consistente com as simulações do sensor realizadas em pixels quadrados com o mesmo design e apresenta algumas melhorias em termos de eficiência e tamanho médio de cluster. Em conclusão, este trabalho destaca o potencial da matriz de pixel hexagonal para melhorar o desempenho dos MAPS em experimentos de física de altas energias e fornecem insights para o desenvolvimento futuro de sensores monolíticos de pixel ativo Ver menos

Abstract: Monolithic CMOS sensors are highly attractive devices for charged particle tracking in high-energy physics experiments due to the following characteristics: low noise, low power consumption, low material budget and fabrication cost. Tangerine Project aims to develop and test new detector prototypes designed in a novel 65 nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) imaging process. To further improve the performance of these sensors, this thesis investigates an alternative pixel geometry - a hexagonal pixel grid - which has several potential benefits over conventional square or rectangular pixel geometries. In this thesis, a sensor design with hexagonal pixels is implemented in a high-resistivity epitaxial layer and then simulated by integrating a detailed electric field model from finite element simulation using Technology Computer-Aided Design (TCAD) into a Monte Carlo based simulation with the Allpix Squared framework. The simulations are conducted for a monolithic active pixel sensor (MAPS) in a 65 nm CMOS technology, with two pixel layouts - standard and n-gap - in a small collection electrode design. The performance of these layouts is compared in terms of efficiency, cluster size, and resolution. A brief comparison between square and hexagonal pixel geometries is also conducted. The hexagonal pixels used in the simulations have a size of 35 microns. Additionally, a comparison is made between the hexagonal and square pixels with the same area. The investigations of this thesis highlight the potential of the hexagonal pixel grid for improving the performance of MAPS in high-energy physics experiments and provide insights for the development of future monolithic active pixel sensors Ver menos