[논문 리뷰] Timing performance of radiation hard MALTA monolithic Pixel sensors

G. Gustavino, P. Allport외 27명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 29.

Particle Detector Development and Performance인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고속 충돌 환경에 적합한 방사선 내성 DMAPS 프로토타입인 MALTA2 단일결정 픽셀 센서를 제시한다. 180 nm CMOS 공정으로 제작되었으며, 향상된 프론트엔드 설계를 통해 고속 환경에서의 성능을 향상시켰다. CERN SPS에서 실시한 테스트 빔 캠프에이인에서 1.8–1.9 ns RMS로 2 ns 이내의 타이밍 해상도를 달성하였고, 높은 전하 신호에서 시간 워크는 25 ns 이하, 시간 잡음은 최소 0.16 ns에 도달하여 향후 HL-LHC 트래킹 시스템에 적합함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC 및 향후 충돌기에서 요구되는 방사선 내성, 고속, 저재료 트래킹 센서의 필요성 해결.
• 기존 ALPIDE 기술을 초월해 단일결정 픽셀 센서의 타이밍 해상도 및 방사선 내성 향상.
• 시간 워크와 잡음을 최소화하기 위해 프론트엔드 전자회로 및 픽셀 아키텍처 최적화.
• 에피택시얼 및 코초랄스 기반 기판, 프로세스 변형(NGAP, XDPW)에 따른 성능 평가.
• 테스트 빔 데이터를 활용해 고속, 고방사선 조건 하에서의 타이밍 성능 검증.

제안 방법

• NGAP 및 XDPW 공정 수정을 통해 픽셀 모서리에서 전기장 강도를 향상시킨 Tower 180 nm CMOS 공정을 활용해 MALTA2를 제작.
• RTS 노이즈 감소 및 신호 이득 증가를 위해 캐스코드 프론트엔드 앰프 통합.
• 단기 펄스 픽셀 주소 전송 방식을 활용해 디지털 전력 소모 최소화한 비동기식 리드아웃 구현.
• 3 ps 분할 TDC를 사용해 제어된 전하 주입으로부터 시간 잡음 측정.
• 180 GeV 프로톤과 색소린 기반 타이밍 기준을 사용해 CERN SPS에서 테스트 빔 캠프 수행.
• 리드아웃 아키텍처의 신호 전파 지연 보정을 적용해 내재 타이밍 해상도 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MALTA2 단일결정 픽셀 센서의 내재 타이밍 해상도는 나노초 수준에서 어떻게 되는가?
• RQ2 XDPW 공정 수정이 전하 수집 속도 및 타이밍 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 전하 침착 수준에서 시간 워크 및 시간 잡음 성능은 어떠한가?
• RQ4 고방사선 조건 하에서 타이밍 해상도 및 인-타임 효율성 측면에서 센서 성능은 어떠한가?
• RQ5 픽셀 모서리에서의 전하 공유가 타이밍 해상도 및 시간 워크에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MALTA2 센서는 Cz 기반에서 1.8 ns, Epi 기반에서 1.9 ns RMS의 타이밍 해상도를 확보하였으며, 클러스터의 첫 번째 도착 신호의 시간 상대적으로 색소린 기준에 비해 측정되었다.
• 90Sr 원천으로부터의 90% 이상의 신호에서 시간 워크는 25 ns 이하이며, 이는 약 130–170 e− 수준의 임계값에 해당한다.
• 프론트엔드 전자회로의 시간 잡음 범위는 1200 e−일 경우 0.16 ns에서 100 e−일 경우 4.7 ns까지 다양하며, 뛰어난 전자적 안정성을 나타낸다.
• 25 ns 창 내에서 인-타임 효율성이 98% 이상, 8 ns 창 내에서는 90% 이상 달성되어 LHC 번치 교차 요구사항에 적합하다.
• 전하 공유 효과로 인해 픽셀 중심과 모서리 사이에 약 2–3 ns의 타이밍 오프셋이 관측되었으며, 이는 전하가 픽셀 당 분할될수록 시간 워크가 증가함을 확인한다.
• 칩 전반에 걸쳐 균일한 성능 유지를 보였으며, 3×10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²까지의 방사선에 노출된 후에도 타이밍 해상도에 유의미한 열화 없이 성능 유지를 확인하였다.