[論文レビュー] Timing performance of radiation hard MALTA monolithic Pixel sensors

G. Gustavino, P. Allport+27 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、180 nm CMOSプロセスで作製された放射線耐性を持つモノリシックピクセルセンサであるMALTA2 DMAPSを提案する。高強度衝突型加速器環境に適した強化されたフロントエンド設計を備え、CERN SPSでのテストビーム実験で、1.8–1.9 ns RMSのサブ2 nsの時間分解能を達成した。時間ずれは25 ns未満、高電荷信号では時間ジッターが0.16 nsまで低下し、HL-LHC用トラッキングシステムへの適用可能性を示した。

ABSTRACT

The MALTA family of Depleted Monolithic Active Pixel Sensor (DMAPS) produced in Tower 180 nm CMOS technology targets radiation hard applications for the HL-LHC and beyond. Several process modifications and front-end improvements have resulted in radiation hardness up to $2 imes 10^{15}~1~ ext{MeV}~ ext{n}_{eq}/ ext{cm}^2$ and time resolution below 2 ns, with uniform charge collection efficiency across the Pixel of size $36.4 imes 36.4~μ ext{m}^2$ with a $3~μ ext{m}^2$ electrode size. The MALTA2 demonstrator produced in 2021 on high-resistivity epitaxial silicon and on Czochralski substrates implements a new cascoded front-end that reduces the RTS noise and has a higher gain. This contribution shows results from MALTA2 on timing resolution at the nanosecond level from the CERN SPS test-beam campaign of 2021.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよび将来の衝突型加速器向けに、放射線耐性があり、高速かつ低材料のトラッキングセンサのニーズに対応すること。
• 既存のALPIDE技術を超えて、モノリシックピクセルセンサの時間分解能と放射線耐性を向上させること。
• 時間ずれとジッターを最小限に抑えるために、フロントエンド回路およびピクセルアーキテクチャを最適化すること。
• エpitaxialおよびCzochralski基板の異なる種別およびプロセス変種（NGAP、XDPW）における性能を評価すること。
• 180 GeVプロトンとシンチレーター時間基準を用いたCERN SPSでのテストビーム実験を通じて、高強度・高放射線条件下での時間性能を検証すること。

提案手法

• Tower社の180 nm CMOSプロセスを用いてMALTA2をプロトタイピングし、ピクセルコーナーにおける電界強度を向上させるためにNGAPおよびXDPWプロセス変更を施した。
• リセット・トランジスタ・スイッチング（RTS）ノイズを低減し、信号増幅を向上させるために、キャスケード型フロントエンドアンプを統合した。
• 短パルスによるピクセルアドレス伝送を用いた非同期リードアウト方式を採用し、デジタルパワー消費を最小限に抑えた。
• 3 psのビニングを持つTDCを用いて、制御された電荷注入から時間ジッターを測定した。
• 180 GeVプロトンとシンチレーター時間基準を用いたCERN SPSでのテストビームキャンペーンを実施した。
• リードアウトアーキテクチャ内の信号伝播遅延を補正することで、内在的な時間分解能を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MALTA2モノリシックピクセルセンサの内在的時間分解能はナノ秒レベルでどの程度か？
• RQ2 XDPWプロセス変更が電荷収集速度および時間性能にどのように寄与するか？
• RQ3 異なる電荷付加レベルにおける時間ずれおよび時間ジッター性能はいかがなっているか？
• RQ4 高放射線条件下における時間分解能およびインタイム効率の性能はどの程度か？
• RQ5 ピクセルコーナーにおける電荷共有が時間分解能および時間ずれに与える影響は何か？

主な発見

• MALTA2センサは、クラスタの先頭ヒットの到着時刻をシンチレーター基準と比較して測定したところ、Cz基板で1.8 ns（RMS）、Epi基板で1.9 ns（RMS）の時間分解能を達成した。
• 90Sr放射線源からの90%の信号に対して時間ずれは25 ns未満であり、閾値は約130–170 e−に対応する。
• フロントエンド回路の時間ジッターは、1200 e−では0.16 nsから100 e−では4.7 nsまで変動し、優れた電子的安定性を示している。
• 25 nsのウィンドウ内でインタイム効率が98%を超え、8 nsのウィンドウ内で90%以上を達成しており、LHCのバッチクロスイング要件に適合している。
• ピクセル中心とコーナー間で2–3 nsの時間オフセットが観測され、電荷がピクセルごとに分散することにより時間ずれが増加することを確認した。
• チップ全体にわたり均一な性能を維持しており、3×10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²までの放射線耐性を示し、照射後も時間分解能に顕著な劣化は認めなかった。