[論文レビュー] Development of CMOS Pixel Sensors fully adapted to the ILD Vertex Detector Requirements

M. Winter, J. Baudot+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2012

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、ILDバーチャル検出器向けに最適化されたCMOSピクセルセンサの開発を提示する。二重面ラダー構成を採用することで、高空間分解能および高時間分解能を達成するとともに、消費電力を最小限に抑える。センサは0.18 µm CMOSプロセスでプロトタイピングされ、読み出し速度が~50 µsまで低下し、1点分解能が3 µm未満に達し、ビームバックグラウンド耐性および低消費電力動作を含むILDのすべての要件に近づいている。

ABSTRACT

CMOS Pixel Sensors are making steady progress towards the specifications of the ILD vertex detector. Recent developments are summarised, which show that these devices are close to comply with all major requirements, in particular the read-out speed needed to cope with the beam related background. This achievement is grounded on the double- sided ladder concept, which allows combining signals generated by a single particle in two different sensors, one devoted to spatial resolution and the other to time stamp, both assembled on the same mechanical support. The status of the development is overviewed as well as the plans to finalise it using an advanced CMOS process.

研究の動機と目的

• ビームバックグラウンド条件下でも高空間分解能および高時間分解能を達成する課題に対処する。
• 消費電力および材料予算を最小限に抑えることで、検出器のフィducialボリューム内でのエア冷却を可能にする。
• ILCの内層トラッキング層の厳しい要件、特に高粒子入射率および放射線耐性に適合するCMOSピクセルセンサを開発する。
• 0.18 µmプロセスを用いてCMOSセンサ技術を進歩させ、統合密度、放射線耐性、性能を向上させる。
• 今後数年以内に、ILD検出器仕様を満たすフルスケールプロトタイプの製造を実現する。

提案手法

• 1つのセンサが空間分解能を担当（MIMOSA-in）、もう1つがタイムスティンピングを担当（AROM）する二重面ラダー構造を採用し、両者を1つの機械的サポートに実装する。
• 列単位のローリングシャッターリードアウトモードを採用し、1行ずつしか動作させないことで低消費電力化を実現。内層では読み出し時間が~50 µsにまで短縮された。
• ヒットデータをバッファリングし、データ転送負荷を低減するため、ゼロ補償回路およびオンチップSRAMを統合する。
• ピクセルごとの相関二重サンプリングおよびプリアンプリケーションを採用し、ノイズを低減し、信号の忠実度を向上させる。
• AROMセンサに可変グレインネスのADC（2〜4ビット）を設計し、電荷振幅を符号化しながらも、位置分解能を損なわないようにする。
• 深くpウェルを形成し、6〜7層の金属配線を有する0.18 µm CMOSプロセスを用いてプロトタイプをプロダクションし、統合性および放射線耐性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームストラールングバックグラウンド下でも、ILDバーチャル検出器の内層で必要な50 µsの読み出し速度をCMOSピクセルセンサが達成できるか？
• RQ2 電荷重心再構成を用いて、ピクセルピッチが~17 µm以下の場合に3 µm未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ3 二重面読み出し構造を採用しても、消費電力が十分に低く、エア冷却が可能か？
• RQ4 0.18 µm CMOSプロセスが、フルスケールのILDセンサに必要な十分な統合密度および放射線耐性を提供できるか？
• RQ5 MIMOSA-inとAROMセンサの組み合わせにより、同時に高空間分解能および高時間分解能を達成できるか？

主な発見

• MIMOSA-26センサは18.4 µmピクセルピッチで5.3 µmの1点分解能を達成し、ピクセルピッチ≤17 µmの条件下で3 µm未満の分解能が実現可能であることを示した。
• 偽ヒット率が10⁻⁴未満に保たれるディスクリミネータ閾値においても、検出効率はほぼ100％を維持しており、ノイズ耐性が優れていることが示された。
• 二重面読み出し構造により、1センサあたりの読み出し時間が~50 µsに短縮され、500 GeV ILC運転時の内層要件を満たした。
• 消費電力の推定値から、2%のデューティサイクルで全検出器の平均消費電力が~10 Wに抑えられ、エア冷却と整合的であることが示された。
• 0.18 µm CMOSプロセスにより、6〜7層の金属配線および深くpウェルを形成でき、統合性の向上とピクセル内における寄生電荷収集の低減が可能になった。
• MIMOSA-30およびMIMOSA-31のプロトタイプ（AROMを内蔵、高速ADC搭載）は2011年末に製造され、2012年にCERN-SPSビームテストを予定している。