[논문 리뷰] MuPix and ATLASPix -- Architectures and Results

A. Schöning, J. K. Anders외 30명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 11인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 Mu3e 실험을 위한 MuPix와 고광도 LHC를 위한 ATLASPix라는 두 가지 완전 단일구조 고전압 CMOS 활성 픽셀 센서의 설계, 특성 분석 및 성능 평가를 제시한다. 이는 98% 이상의 높은 효율성, 낮은 노이즈, 4 ns 이하의 시간 해상도, 그리고 2×10¹⁵ nₑq/cm²까지의 방사선 내성 성능을 입증하며, ATLASPix3는 현재까지 제작된 가장 큰 HV-MAPS 센서이다.

ABSTRACT

High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS) are based on a commercial High Voltage CMOS process and collect charge by drift inside a reversely biased diode. HV-MAPS represent a promising technology for future pixel tracking detectors. Two recent developments are presented. The MuPix has a continuous readout and is being developed for the Mu3e experiment whereas the ATLASPix is being developed for LHC applications with a triggered readout. Both variants have a fully monolithic design including state machines, clock circuitries and serial drivers. Several prototypes and design variants were characterised in the lab and in testbeam campaigns to measure efficiencies, noise, time resolution and radiation tolerance. Results from recent MuPix and ATLASPix prototypes are presented and prospects for future improvements are discussed.

연구 동기 및 목표

• 미래의 입자물리 실험에서 공간 해상도와 시간 해상도를 향상시킬 수 있는 완전 단일구조 고전압 CMOS 활성 픽셀 센서(HV-MAPS)를 개발하기 위해.
• 하이브리드 픽셀 디텍터의 한계를 해결하기 위해 센서와 읽기 전자회로를 단일 구조로 통합함으로써 와이어 뱅크 연결을 제거하기 위해.
• 프로톤 및 중성자 조사에 의해 2×10¹⁵ nₑq/cm²까지의 선량에 이르는 조건에서 HV-MAPS의 방사선 경도와 성능 안정성을 평가하기 위해.
• 다양한 응용 분야에 적합한 연속 읽기 및 트리거 기반 읽기 아키텍처를 가능하게 하기 위해: Mu3e에서의 연속 읽기용 MuPix, ATLAS에서의 트리거 작동용 ATLASPix.
• 고속 충돌 실험의 외부 픽셀 층에 적합한 확장 가능한, 방사선에 강건한 솔루션으로서 HV-MAPS의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• AMS AH18 및 TSI H18 공정을 이용한 상용 고전압 CMOS 공정을 활용한 HV-MAPS 설계 및 제작으로, 픽셀 전자회로에 깊은 n-웰 통합을 구현함.
• MuPix8(소스 팔로워 및 전류 드라이버 변종)에서 연속 읽기 구현 및 ATLASPix1_Simple(픽셀 내 비교기, 외부 회로에 논리 회로)에서 트리거 읽기 구현.
• 전하 측정을 위해 시간-과잉 임계값(ToT)을 사용하고, 타임워크 보정을 통해 4 ns 이하의 시간 해상도 확보.
• 임계값 캘리브레이션을 위해 픽셀 내부에 3비트 튜닝-DAC를 통합하여 임계값 분산을 9.5 mV(약 50 e⁻) 이내로 감소.
• 중성자(최대 2×10¹⁵ nₑq/cm²) 및 프로톤(최대 5×10¹⁴ nₑq/cm²) 조사 후, 조사 후 시험을 수행함.
• 테스트빔 캠프와 실험실 특성 분석을 통해 여러 프로토타입을 대상으로 효율성, 노이즈, 시간 해상도 및 방사선 내성을 측정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 및 Mu3e 환경에서 유사한 고중성자 및 고프로톤 선량에 노출된 후, 완전 단일구조 HV-MAPS가 높은 탐지 효율성과 낮은 노이즈를 유지할 수 있는가?
• RQ2 칩 내부 타임워크 보정 및 시간-과잉 임계값 측정을 통해 HV-MAPS의 도달 가능한 시간 해상도는 어느 정도인가?
• RQ3 픽셀 셀 내부에 비교기 논리 회로를 통합한 ATLASPix 방식과 신호 증폭 및 전송 방식인 MuPix 방식 간의 노이즈 및 성능에서의 차이는 어떠한가?
• RQ4 방사선에 강건한 레이아웃 기법과 깊은 p-웰 격리 기법이 총 이온화 선량 및 이격 손상 조건 하에서도 센서 기능 유지에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 대형 면적의 HV-MAPS(예: ATLASPix3, 1.9×2.1 cm²)가 향후 트래커 시스템에 있어서 성능과 확장성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• MuPix8 및 ATLASPix1_Simple 프로토타입은 중성자 조사 후에도 80–85 V의 전압에서 98% 이상의 탐지 효율을 확보함.
• MuPix8 및 ATLASPix1_Simple에서 약 6 ns의 시간 해상도를 측정하였으며, 타임워크 보정 후 칩 내부 해상도는 약 3.7 ns로 측정됨.
• 픽셀 내부 3비트 튜닝-DAC를 활용해 임계값 분산을 9.5 mV(약 50 전자) 이내로 감소시켜 안정적인 저임계값 작동 가능.
• 조사 선량 증가에 따라 노이즈 수준이 증가했지만, 노이즈 픽셀을 효과적으로 마스킹함으로써 평균 40 Hz의 LHC 번치당 10⁻⁶ 이하의 노이즈 비율을 달성함.
• ATLASPix3는 현재까지 제작된 가장 큰 HV-MAPS 센서(1.9×2.1 cm²)로서 2019년 8월에 완전 기능을 하며 출하되었으며, 성능은 ATLASPix1과 동일하거나 이를 초월할 것으로 예상됨.
• MuPix10은 교차 간섭 억제 기술 향상 및 전압 레귤레이터를 통합한 신규 프로토타입으로, 2020년 3월에 출하 예정이며 Mu3e 픽셀 트래커와 완전히 호환됨.