New Generation of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle Detection

Développement d'un capteur de nouvelle génération et son électronique intégrée pour les collisionneurs futurs

Grzegorz Deptuch (1)

1 IReS - Institut de Recherches Subatomiques

Vertex detectors are of great importance in particle physics experiments, as the knowledge of the event flavour is becoming an issue for the physics programme at Future Linear Colliders. Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) based on a novel detector structure have been proposed. Their fabrication is compatible with a standard CMOS process. The sensor is inseparable from the
readout electronics, since both of them are integrated on the same, low-resistivity silicon wafer. The basic pixel configuration comprises only three MOS transistors and a diode collecting the charge through thermal diffusion. The charge is generated in
the thin undepleted epitaxial layer underneath the readout electronics. This approach provides, at low cost, a high resolution and thin device with the whole area sensitive to radiation. Device simulations using the ISE-TCAD package have been carried out to study the charge collection mechanism. In order to demonstrate the viability of the technique, four prototype chips have been fabricated using different submicrometer CMOS processes. The pixel gain has been calibrated using a 55Fe source and the
Poisson sequence method. The prototypes have been exposed to high-energy particle beams at CERN. The tests proved excellent detection performances expressed in a single-track spatial resolution of 1.5 μm and detection efficiency close to 100%, resulting from a SNR ratio of more than 30. Irradiation tests showed immunity of MAPS to a level of a few times 1012 n/cm2 and a few hundred kRad of ionising radiation. The ideas for future work, including on-pixel signal amplification, double sampling operation and current mode pixel design are present as well.

Les détecteurs de vertex sont importants pour les expériences de la physique des particules, car la connaissance de la saveur présente dans un événement deviendra une question majeure dans le programme de physique auprès du Futur Collisionneur Linéaire. Un capteur monolithique à pixels actifs (MAPS) basé sur une structure originale a été proposé. Le capteur est inséparable de son électronique de lecture, puisque les deux sont intégrés sur la même tranche de silicum basse résistivité qui constitue le substrat classique pour une technologie CMOS. La configuration de base est composée uniquement de trois transistors et d'une diode qui collecte par diffusion thermique la charge. Celle-ci est générée dans la couche épitaxiale mince, non-désertée en dessous du circuit de lecture. Cela permet d'obtenir un détecteur mince, de haute résolution, d'une surface entièrement sensible à la radiation et d'un faible coût de fabrication. Les simulations détaillées ont été effectuées en utilisant le logiciel ISE-TCAD pour étudier le mécanisme de collection de charge. Quatre prototypes ont été fabriqués en technologies CMOS submicroniques pour démontrer la viabilité de cette technique. Le gain des pixels a été calibré par irradiation à l'aide d'une source 55Fe et en appliquant la méthode fondée sur la séquence de Poisson. Les prototypes ont été également exposés aux faisceaux de particules de haute énergie au CERN. D'excellentes performances de détection ont été prouvées. Elles s'expriment par un rapport signal sur bruit supérieur à 30, une résolution spatiale de 1.5 μm et une efficacité de détection proche de 100%. Les tests d'irradiation ont démontré une résistance aux flux de neutrons jusqu'a quelques 1012 n/cm2 et une résistance aux rayonnements ionisants jusqu'à quelques centaines kRad. Des idées futures telles que l'amplification du signal sur le pixel, le double échantillonnage ainsi que la conception d'un pixel en mode courrant ont été également présentées.

Mots clés: Solid-state position sensitive detectors; Pixel detectors; Monolithic<br />Active Pixel Sensors; System-on-chip; Particle tracking; Imaging; <br />Device simulation; Low noise; Radiation hardness

Mots clés: Détecteurs à état solide sensibles à la position; Détecteurs à pixels<br />actifs; Détecteurs monolithiques; CMOS; VLSI; Système sur puce; Trajectographie<br />des particules; Imagerie; Simulation de dispositif; Bas bruit; Tenue aux rayonnements

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]; Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]

Grzegorz Deptuch. New Generation of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle Detection. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université Louis Pasteur - Strasbourg I, 2002. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011109⟩