R&D 2014 : Détecteurs HV CMOS ATLAS-IN2P3: Réunion préparatoire projets

Les challenges des futurs upgrades des trackers ATLAS Phase II Letter of Intent Inner layers (r ~ 3 to 15 cm) cm) Outer layers (r > ~ 15 cm) cm) low power low material budget occupancy / bandwidth resolution low cost resolution /bandwidth Pixels hybrides, CMOS 65 nm , nouveaux sensors (planaires, 3D, diamant) Pixels hybrides ou monolithiques "économiques" , process au niveau wafer Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Des pixels hybrides aux pixels (semi)-monolithiques (I) Ce sont les pixels d'Atlas et de l'IBL Signal important (200µm dep.) Résistant aux radiations Peu de puissance dissipée (Cin <<) X0 important (3.6 % dans ATLAS ->1.7 % dans IBL) Coût élevé (beaucoup de process sur circuits individuels Détecteur pixel RoC : Cellule pixel : ampli, discri ≈ 100 transistors RoC : Architecture globale : région, colonne, périphérie, E/S ≈50 M transistors , demande PMOS et NMOS Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Des pixels hybrides aux pixels (semi)-monolithiques (II) HVCMOS Première amplification "dans" le détecteur Charge collectée par drift Semble résistant aux radiations Signal faible (1000 e-) Doit être hybridé sur un circuit de lecture (mais a faible coût et permet d'augmenter la résolution de celui-ci)  Pas mal de R&D HVCMOS pixel HCMOS ampl : Cellule pixel : ampli, discri ≈ 100 transistors RoC : Architecture globale : région, colonne, périphérie, E/S ≈50 M transistors , demande PMOS et NMOS Ivan Peric et al. Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 Principe du HV-CMOS Un N-well dans un substrat P dans lequel sont implantés des CMOS (par exemple le premier étage d'amplification) CMOS : 1er étage d'ampli N-well sur substrat P Polarisation du N-well Zone de déplétion autour du N-well : charge collectée par drift resist~10Ω.cm Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Caractéristiques principales Électronique CMOS dans le N-well La polarisation négative du substrat crée une zone de déplétion ≈ 10 µm Techno DSM + cellule relativement simple  Petit pixel 1er étage d'amplification sur le capteur ( bas bruit) Performances attendues: Électronique rad-hard (DSM techno) Capteur rad-hard (zone de déplétion mince) Faible coût (techno CMOS standard) Peut être aminci  peu de matière Tension de polarisation faible Rapide Bonne granularité (33x125 µm sur le 1er proto, peut être encore réduit) Prototypes HV2FEI4p1/p2 Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

La collaboration ATLAS HV-CMOS Bonn University: M. Backhaus, L.Gonella, T. Hemperek, F. Hügging, H. Krüger, T. Obermann, N. Wermes. CERN: M. Capeans, S. Feigl, M. Nessi, H. Pernegger, B. Ristic. CPPM: M. Barbero, F. Bompard, P. Breugnon, JC. Clemens, D. Fougeron, J. Liu, P. Pangaud, A. Rozanov. Geneva University: D. Ferrere, S. Gonzalez-Sevilla, G. Iacobucci, A. Miucci, D. Muenstermann. Goettingen University: M. George, J. Grosse-Knetter, A. Quadt, J. Rieger, J. Weingarten. Glasgow University: R. Bates, A. Blue, C. Butter, D. Hynds. Heidelberg University: I. Peric (original idea). LBNL: M. Garcia-Sciveres. Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 Prototypes HV2FEI4 p1: 1er proto, vérification des fonctions de base p2: Structures Rad-hard 2.2×4.4 mm2. 60 colonnes×24 lignes Pixels: 33×125μm2. Pads to permettant plusieurs modes d'opération Fonctionnement autonome CCPD : couplage capacitif sur un circuit de de lecture pixel Couplage à un circuit de lecture strip IO for CCPD strip pads Matrice de pixels IO pour strips Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 Lecture de type "strips" Chaînage des pixels Encodage de la position longitudinale par l'amplitude Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Lecture avec une matrice FE-I4 3 pixels HV CMOS sont combinés sur un pixel du circuit FEI4 . Le codage du pixel touché est obtenu par 3 niveaux de sortie distincts. Couplage capacitif par collage (pas de bump-bonding) HV2FEI4p1 collé sur un FE-I4 Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 HV2FEI4p1 sur FEI4 Source Sr90 Lecture par le circuit FEI4 Taux de comptage de plusieurs kHz Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 Encodage des 3 pixels Sub-pixel 2 Les sous-pixels sont correctement séparés par le ToT du FEI4 Histogramme du Tot Sub-pixel 1 Sub-pixel 3 Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Irradiation du HV2FEI4p1 en protons Spectres de Fe55 et Sr90 sur pixels individuels Dégradation nette après 80MRad (plus rien après 200 MRad) Discri Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Irradiation du HV2FEI4p1 en neutrons Irradiation en neutrons jusqu'à 1.1016 neq.cm-2(Ljubljana) Zone de déplétion faible -> peu sensible aux dommages du substrat Le courant de fuite augmente Sans source Comptage en 10 mn 90Sr Mais après 30 jours d'annealing (@RT) le sensor fonctionne encore ! Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

HVFEI4p2  Pour traiter le problème de la TID Plusieurs types de pixels avec des structures plus rad-hard( anneaux de garde, transistors circulaires..) ont été implantées dans le circuit (avec des gains de départ différents) 55Fe spectra, non irradié “rad-hard” “normal” Gains différents Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

HV2FEI4p2: Irradiation RX Irradiation avec annealing de 2 h à 70°C tous les 100 MRad Après 862 MRad, perte de 60% du signal Mais après 6 jours @RT et ré-ajustement des paramètres on retrouve 90% du signal Amplitude de sortie du préampli = f (dose) 862 MRad Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Conclusions et R&D prévue Le principe de fonctionnement des HVCMOS est bien établi. Plusieurs types de lecture (dont le couplage capacitif par collage et une lecture de type strips) ont été testé avec succès. Les avantages attendus sont multiples : petits pixels, moins de matière, moindre coût, applicable au couches "strips" Demande davantage de R&D Sur la résistance aux radiations (bon résultats de HVFEI4p2) Sur l'efficacité de détection et la résolution spatiale  test beam Pour optimiser la géométrie et l'architecture Et donc un peu d'argent en 2014 Participations au runs AMS 180 nm : 15k€ Participation au run GF 130 nm : 10k€ PCB, assemblages, tests : 15 k€ ANR en préparation (CPPM-Atlas et imagerie, imXpad, LPNHE?, LAL?) pour 2015- 2018 Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Demandes CPPM pour la R&D HVCMOS Participations au runs AMS 180 nm : 15K€ Participation au run GF 130 nm : 10k€ PCB, assemblages, tests : 15 k€ Soit un total de 40 k€ Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013

Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013 Readout -a la strips- Readout: use HV-CMOS sensor in combination with existing powerful IC by connecting HV- CMOS pixels in various ways. e.g. pixels can be summed up as “virtual strips”, with hit position encoded as pulse height. Pixel hit map from strip information (note the shadow of a wire) Réunion ATLAS-IN2P3 Paris, 14 octobre 2013