[论文解读] 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 1

一句话总结

本文介绍了MALTA2单片像素传感器，这是一种在180 nm CMOS工艺中制造的抗辐射DMAPS原型，其前端设计经过优化，适用于高流强对撞机环境。在CERN SPS的测试束实验中，该传感器实现了亚2 ns的时间分辨率（1.8–1.9 ns RMS），时间走漂低于25 ns，且在高电荷信号下时间抖动低至0.16 ns，证明其适用于HL-LHC追踪系统。

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.

研究动机与目标

• 解决HL-LHC及未来对撞机对高抗辐射性、高速度、低材料消耗追踪传感器的需求。
• 在现有ALPIDE技术基础上，进一步提升单片像素传感器的时间分辨率和抗辐射能力。
• 通过优化前端电子学和像素架构，最小化时间走漂和抖动。
• 在不同基底（外延和直拉法）及工艺变体（NGAP、XDPW）下验证性能表现。
• 利用测试束数据，在高流强、高辐照条件下验证时间性能。

提出的方法

• 在Tower 180 nm CMOS工艺中制造MALTA2，采用NGAP和XDPW工艺改进，以增强像素拐角处的电场分布。
• 集成级联式前端放大器，以降低RTS噪声并提高信号增益。
• 采用异步读出机制，通过短脉冲像素地址传输方式，最小化数字功耗。
• 使用3 ps分箱时间数字转换器（TDC）测量通过受控电荷注入获得的时间抖动。
• 在CERN SPS进行测试束实验，使用180 GeV质子束和闪烁体时间参考信号。
• 对读出架构中的信号传播延迟进行校正，以提取本征时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 MALTA2单片像素传感器在纳秒量级下的本征时间分辨率是多少？
• RQ2 XDPW工艺改进如何提升电荷收集速度和时间性能？
• RQ3 在不同电荷沉积水平下，时间走漂和时间抖动性能如何？
• RQ4 在高辐射水平下，传感器在时间分辨率和触发效率方面的表现如何？
• RQ5 像素拐角处的电荷共享对时间分辨率和时间走漂有何影响？

主要发现

• MALTA2传感器的时间分辨率测量值为1.8 ns（直拉法）和1.9 ns（外延）RMS，基于簇中首个信号到达时间相对于闪烁体参考信号的时间差。
• 对于90Sr源的90%信号，时间走漂低于25 ns，对应阈值约为~130–170 e−。
• 前端电子的时间抖动范围为0.16 ns（1200 e−时）至4.7 ns（100 e−时），表明电子稳定性极佳。
• 在25 ns窗口内触发效率超过98%，在8 ns窗口内超过90%，满足LHC束团交叉时间要求。
• 由于电荷共享效应，像素中心与拐角之间观测到2–3 ns的时间偏移，证实了单个像素电荷减少会增加时间走漂。
• 传感器在芯片范围内性能均匀，且在高达3×10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²的辐照下仍保持稳定，辐照后时间分辨率无显著退化。