[論文レビュー] Lifetime Study of COTS ADC for SBND LAr TPC Readout Electronics

H.Chen, J. Evans+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2018

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、SBND液体アルゴンTPC読み出しシステムへの応用を想定し、低温環境下におけるCOTS ADCチップAD7274の長期的信頼性を評価している。2.5Vおよび77Kでの加速老化試験を実施し、寿命を6.1 × 10⁶年と予測した。これは、実験の運用期間中にホットキャリア効果（HCE）による劣化が無視できるほど小さいことを示している。

ABSTRACT

Short Baseline Near Detector (SBND), which is a 260-ton LAr TPC as near detector in Short Baseline Neutrino (SBN) program, consists of 11,264 TPC readout channels. As an enabling technology for noble liquid detectors in neutrino experiments, cold electronics developed for extremely low temperature (77K - 89K) decouples the electrode and cryostat design from the readout design. With front-end electronics integrated with detector electrodes, the noise is independent of the fiducial volume and about half as with electronics at room temperature. Digitization and signal multiplexing to high speed serial links inside cryostat result in large reduction in the quantity of cables (less outgassing) and the number of feed-throughs, therefore minimize the penetration and simplify the cryostat design. Being considered as an option for the TPC readout, several Commercial-Off-The-Shelf (COTS) ADC chips have been identified as good candidates for operation in cryogenic temperature after initial screening test. Because Hot Carrier Effects (HCE) degrades CMOS device lifetime, one candidate, ADI AD7274 fabricated in TSMC 350nm CMOS technology, of which lifetime at cryogenic temperature is studied. The lifetime study includes two phases, the exploratory phase and the validation phase. This paper describes the test method, test setup, observations in the exploratory phase and the validation phase. Based on the current test data, the preliminary lifetime projection of AD7274 is about 6.1 $ imes$ $10^6$ years at 2.5V operation at cryogenic temperature, which means the HCE degradation is negligible during the SBND service life.

研究の動機と目的

• SBNDのような低温希土類液体検出器に使用するための、量産型（COTS）ADCチップの長期的信頼性を評価すること。
• 低温温度（77K〜89K）におけるホットキャリア効果（HCE）が、CMOSデバイスの寿命に与える影響を調査すること。
• TSMC 350nm CMOSプロセスで製造されたAD7274 ADCが、SBND実験の過酷な低温環境でも長期運用に適しているかどうかを検証すること。
• 低温・高信頼性ニュートリノ検出システムにおける前段階電子回路の加速寿命評価フレームワークを確立すること。

提案手法

• ホットキャリア効果（HCE）劣化を評価するために、2.5Vバイアスおよび77K温度下でAD7274 ADCチップに対する予備的加速老化試験を実施した。
• ADCに電気的ストレスを加えることができるよう、安定した77Kの低温環境を維持可能な低温試験装置を設計・実装した。
• ストレス暴露前後における信号整合性およびノイズ測定を実施し、性能劣化の有無を検出した。
• 予備的段階の結果を確認するため、延長されたストレス時間での検証フェーズを実施した。
• 加速試験から得られた劣化率を外挿し、運用条件下での長期的デバイス寿命を予測した。
• 測定されたHCE誘発劣化傾向に基づき、標準的な半導体信頼性モデルを用いてデバイス寿命を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COTS ADCチップAD7274が、2.5Vおよび77Kの低温環境で運用される場合の予想寿命はどの程度か？
• RQ2 低温温度におけるホットキャリア効果（HCE）が、CMOSデバイスの性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 2.5Vおよび77Kでの加速老化試験は、ニュートリノ検出器電子回路用ADCの長期的信頼性を信頼性を持って予測できるか？
• RQ4 AD7274は、SBND実験の予想される運用期間にわたり十分な性能安定性を維持できるか？
• RQ5 低温運用は、室温運用と比較してCOTS ADCの信頼性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 加速老化試験において、AD7274 ADCチップは2.5Vおよび77Kでホットキャリア効果（HCE）による劣化が顕著でないことが確認された。
• 試験データに基づき、AD7274の2.5Vおよび低温環境下での予想寿命は約6.1 × 10⁶年であると予測された。
• 観測されたHCE劣化率は極めて低く、SBND実験の予想される運用期間中は無視できるほど小さいとされた。
• 予備的フェーズと検証フェーズの両方で一貫した結果が得られ、寿命予測の信頼性が確認された。
• AD7274は、低温環境下でも高い信頼性を示すため、SBND液体アルゴンTPC読み出し電子回路への適用が適していると判断された。
• 試験手法は、適切に評価された場合、COTS部品が大規模ニュートリノ実験の厳しい信頼性要件を満たす可能性を実証した。