7/12/2005 Prospective DAPNIA 1 Les détecteurs de vertex du futur Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp.

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1 7/12/2005 Prospective DAPNIA 1 Les détecteurs de vertex du futur Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp

2 7/12/2005 Prospective DAPNIA 2 PLAN Un peu d’histoire (le paysage) Un peu d’histoire (le paysage) Les besoins de la physique (la tendance) Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur. dictent les contraintes sur le détecteur. Les limites des détecteurs actuels Les limites des détecteurs actuels Les principales lignes de R&D Les principales lignes de R&D La solution des MAPS La solution des MAPS * les performances obtenues * les performances obtenues * les challenges de la R&D * les challenges de la R&D * les applications actuelles/futures * les applications actuelles/futures Conclusions Conclusions

3 7/12/2005 Prospective DAPNIA 3 Since late’70s, successful vertex detectors (for heavy flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips Interesting technology shift is under way. Within 5 years, will mostly be based on silicon pixels Why is this? highest performance b and charm reconstruction in dense track environments has come from two pixel-based detectors, NA32 in ’80s, SLD in ’90s extreme radiation environments in the inferno close to IP at future hadron colliders high backgrounds, and high track density in core of jets at future e + e - colliders These disparate requirements at hadron and e + e - colliders have very different solutions (both of them pixel-based), and are supported by contrasting R&D programmes This transition to pixels implies synergies with other areas of science, where images taken with IR, visible, UV, X-rays benefit from the technologies being developed for HEP vertex detectors, and vice versa

4 7/12/2005 Prospective DAPNIA 4 Les besoins de physique qui sous-tendent le cahier des charges Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction précise des vertex déplacés. c t ~ 90 – 500 m m Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction précise des vertex déplacés. c t ~ 90 – 500 m m On veut pouvoir signer la saveur (b et c) et la charge associée à un vertex. On veut pouvoir signer la saveur (b et c) et la charge associée à un vertex. La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des t, souvent par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t. La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des t, souvent par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t. * mesures des Br. du Higgs, des asymétries A FB, A LR, etc. * mesures des Br. du Higgs, des asymétries A FB, A LR, etc. * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un environnement multi-jet: _ _ * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un environnement multi-jet: _ _ e + e -  tt  bbWW 6 jets e + e -  tt  bbWW 6 jets e + e -  HHZ  WWWWZ 10 jets e + e -  HHZ  WWWWZ 10 jets La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis. La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis.

5 7/12/2005 Prospective DAPNIA 5 Le but : identifier la saveur et la charge de chaque jet avec à la fois une très grande efficacité et pureté (charme) Implique : un vertex-détecteur très granulaire, ultra-léger, avec plusieurs couches, installé très près du point d’interaction. Mais : la recherche de processus rares, à haute énergie, entraîne des sections efficaces petites, que l’on cherche à compenser par de hautes luminosités. D’où un haut taux d’occupation et des radiations ionisantes. Le détecteur doit être rapide et tolérer les radiations. Les technologies prouvées sont inadéquates ! * CCD : OK pour granularité et minceur, mais trop lents et pas assez de tenue aux radiations * HAPS (LHC) : qualités et défauts inverses !

6 7/12/2005 Prospective DAPNIA 6 Performances souhaitées pour l’ILC 5 couches concentriques (R=15-60mm,cos u <0.95) s IP = a + b/p.sin 3/2 u avec a ~5 m m, b<10 m m Read-out : 20-25 m s (L0), 50 m s (L1), ~200 m s(autres) Epaisseur : ~50 m m (capteur), ~0.1%X 0 /couche Dissipation moyenne << 100W (éviter le cooling) 250 kRads et 6.10 11 n/cm 2 (5ans) Tol. radiations : 250 kRads et 6.10 11 n/cm 2 (5ans)

7 7/12/2005 Prospective DAPNIA 7 Some tagging performance plots in ee  qq events Standard vertex detector, 91 GeVLarge R bp vertex detector, 91 GeV  Performance is greatly enhanced wrt to SLD thanks to improved vertex detector e.g. Highly pure b tag can be also highly efficient, and high purity (85%) for c tag extends from 18% (SLD) to 35%(ILC)  Charm tagging suffers mostly by change in design, and affects strongly physics measurements. E.g. 15% error increase on Br(H  cc) (LC-PHSM-2004-xxx, T.Kuhl et al)

8 7/12/2005 Prospective DAPNIA 8 “Classic CCD” Readout time  N  M/F out N M N Column Parallel CCD Readout time = N/F out Les CCD Pour pallier la lenteur, le RAL essaye une lecture // des colonnes Mais la tenue aux radiations risque d’être insuffisante.

9 7/12/2005 Prospective DAPNIA 9 Les pixels hybrides : Le détecteur à pixels d’ATLAS 3 couches et 4*2 disques de pixels 3 couches et 4*2 disques de pixels 50 m m * 300 m m 50 m m * 300 m m Épaisseur : 300 m m Épaisseur : 300 m m s sp = 12 m m (R f ) s sp = 12 m m (R f ) ~ 70 m m (z) ~ 70 m m (z) 1,4 %X 0 par couche 1,4 %X 0 par couche doit tenir 5 à 50*10 13 neutrons/cm 2 /an doit tenir 5 à 50*10 13 neutrons/cm 2 /an

10 7/12/2005 Prospective DAPNIA 10 Les lignes des R&D actuelles Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …) Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …) Les DEPFET (Bonn, Munich) Les DEPFET (Bonn, Munich) SOI detector (Insubria, Cracovie) SOI detector (Insubria, Cracovie)

11 7/12/2005 Prospective DAPNIA 11 Caractéristiques et avantages des MAPS Silicium type p basse resistivité Signal produit dans la couche epi (low doping) Q ~80 e-h/ m m Collection par la jonction p-epi n-well Avantages : System-on-chip : monolithique vrai Volume sensible = couche epi. -> amincissement à 25 m m possible Techno standard -> cout « faible » Tolérance aux radiations > CCD

12 7/12/2005 Prospective DAPNIA 12 MOS transistor instead of JFET A pixel size of ca. 20 x 20 µm² is achievable using 3µm minimum feature size. DEPFET Bonn/Munich group Silicium de haute resistivité, fully depleted Une matrice de 520*4000 pixels a déjà été réalisée, amincie à 50 m m. Impressionnant ! Reste hybride !

13 7/12/2005 Prospective DAPNIA 13 SOI detector Detector  handlable wafer High resistivityHigh resistivity 300  m thick300  m thick Electronics  active layer Low resistivityLow resistivity 1.5  m thick1.5  m thick Readout pixels (min charge sharing): 10  mReadout pixels (min charge sharing): 10  m Detector: conventional p + -n, DC-coupled Electronics: preliminary solution – conventional bulk MOS technology on the thick SOI substrate Insubria/Krakow group

14 7/12/2005 Prospective DAPNIA 14 MAPS en détail Les groupes impliqués dans la R&D Les groupes impliqués dans la R&D Les performances prouvées Les performances prouvées La tolérance aux radiations La tolérance aux radiations L’amincissement industriel L’amincissement industriel La vitesse de read-out La vitesse de read-out Applications en HEP, ailleurs Applications en HEP, ailleurs Les études à faire (shopping list) Les études à faire (shopping list)

15 7/12/2005 Prospective DAPNIA 15 MAPS: les groupes qui travaillent Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie. Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie. Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS. Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS. CBM (GSI) : GSI et IReS. CBM (GSI) : GSI et IReS. ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon, ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon, Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome. Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome.

16 7/12/2005 Prospective DAPNIA 16 MAPS: ce qui a été fait Au moins 9 process explorés : Au moins 9 process explorés : AMS0.6(14 m m),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10 m m) AMS0.6(14 m m),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10 m m) AMI(MIETEC)0.35(4 m m), IBM0.25(2 m m), STM0.13(?) AMI(MIETEC)0.35(4 m m), IBM0.25(2 m m), STM0.13(?) TSMC0.35(11 m m), TSMC0.25(~6 m m) TSMC0.35(11 m m), TSMC0.25(~6 m m) Tests en faisceaux : performances Tests en faisceaux : performances STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos) STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos) BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos) BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos) Résultats encourageants après 6 ans Résultats encourageants après 6 ans excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre. analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre.

17 7/12/2005 Prospective DAPNIA 17 MAPS : exploration des processus de fabrication Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol. Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol. Architecture simple, analogique pure. Architecture simple, analogique pure. AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9) AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9) S/N ~25 (MPV) e det > 99% s sp = 1.5 m m (20 m m) 5.0 m m (40 m m)

18 7/12/2005 Prospective DAPNIA 18 MAPS : la résolution spatiale Versus la taille du pixel : Versus la taille du pixel : Mesurée sur télescope au CERN Mesurée sur télescope au CERN (faisceau de p de 120 GeV/c) (faisceau de p de 120 GeV/c) s sp ~1.5 m m (20 m m pitch) s sp ~1.5 m m (20 m m pitch) 5.0 m m (40 m m pitch) 5.0 m m (40 m m pitch) Versus S/N et ADC n-bits Versus S/N et ADC n-bits Résultats excellents sur pixels sans Résultats excellents sur pixels sans traitement intégré du signal. traitement intégré du signal. Simulation prob t pessimiste. Simulation prob t pessimiste.

19 7/12/2005 Prospective DAPNIA 19 MAPS : tolérance aux radiations Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 10 13 n eq /cm 2 Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 10 13 n eq /cm 2 On commence à perdre en charge collectée vers 10 12 n eq /cm 2 On commence à perdre en charge collectée vers 10 12 n eq /cm 2 I leak et le bruit augmentent un peu (~10%). I leak et le bruit augmentent un peu (~10%). Très dépendant du processus de fabrication ! Très dépendant du processus de fabrication ! S/N (MPV) versus fluence et T pour AMS-0.35 OPTO Performances meilleures avec T < 0°C

20 7/12/2005 Prospective DAPNIA 20 MAPS : tolérance aux radiations Les radiations ionisantes ont des effets connus : Les radiations ionisantes ont des effets connus : décalage des seuils en tension, augmentation des I leak décalage des seuils en tension, augmentation des I leak Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et sans doute inclure des anneaux de garde. Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et sans doute inclure des anneaux de garde. Un temps d’intégration court et T < 0°C aident. Un temps d’intégration court et T < 0°C aident.

21 7/12/2005 Prospective DAPNIA 21 MAPS : amincissement Capteurs MIMOSA5 (3.5cm 2 ) Developpé sur Mimosa5 : Amincissement à 120 m m « aisé » au niveau du wafer et pas de pertes de performances LBNL a réussi 50 m m avec des résultats satisfaisants (fragile!) En France, TRACIT a atteint 70 m m et essaye de descendre à 40 m m. Attention: enlever totalement le substrat n’est pas la solution : on observe une perte de charge qui fait baisser l’efficacité de detect.

22 7/12/2005 Prospective DAPNIA 22 MAPS : vitesse du read-out La granularité est attrayante, mais 5-50 m m pitch => O(10 5 -10 6 )pixels/cm 2 La granularité est attrayante, mais 5-50 m m pitch => O(10 5 -10 6 )pixels/cm 2 Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle. Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle. data flow énorme : > O(10 2 )Gbits/s/cm 2 data flow énorme : > O(10 2 )Gbits/s/cm 2 Deux solutions : Deux solutions : Trigger externe et pixels à multi-mémoires. Trigger externe et pixels à multi-mémoires. Data sparsification intégrée sur le chip. Data sparsification intégrée sur le chip.

23 7/12/2005 Prospective DAPNIA 23 MAPS : Trigger based proto (CAP) Up to 10 memory cells/pixel, read out only if selected by external trigger

24 7/12/2005 Prospective DAPNIA 24 MAPS : system-on-chip Mimosa 8 (DAPNIA) Mimosa 8 (DAPNIA) * TSMC 0.25 m m digital (~6 m m epi) * TSMC 0.25 m m digital (~6 m m epi) * 32*128 pixels (25 m m pitch) * 32*128 pixels (25 m m pitch) * on-pixel CDS et discriminateur * on-pixel CDS et discriminateur au bas de chaque colonne. au bas de chaque colonne. Tests avec source et en faisceau Tests avec source et en faisceau (e - 5 GeV à DESY) très encourageants (e - 5 GeV à DESY) très encourageants

25 7/12/2005 Prospective DAPNIA 25 MAPS : system-on-chip bruit du pixel faible : 13-18 e - ENC (CDS inclus) dispersion pixel à pixel faible (< 10 e - ENC) discriminateur effectif ! lecture complète du chip en 20 m s (source), 50 m s (faisceau). S/N pour MIPs : ~10 efficacité detection : > 98% MIMOSA8

26 7/12/2005 Prospective DAPNIA 26 MAPS : applications 1. Super Belle (~2008 ?) from strips to pixels ! Pb : O(10)MRad/an et temp. ambiante : temps d’intégration bref Trigger externe (10kHz) : 10 « mémoires » par pixel, chacune étant la charge intégrée en 10 m s. 3 prototypes produits. 2. STAR (2008) veut mesurer le charme ouvert à RHIC. 2 couches (~1500cm 2 ) à R=15 & 50mm, avec s sp <10 m m, 0.1%X0, read-out < 5ms, P diss < 100mW/cm2, opérant à 30-40°C, mais avec irradiation faible: O(10)kRad/an et 10 11 n eq /cm 2 /an. Mimosa5 était le premier proto. On en est à MIMOSTAR2, qui approche les spécifications. 3. Cold Baryonic Matter (GSI-2015 ?) Nécessite une intense R&D pour des capteurs rapides et rad-hard.

27 7/12/2005 Prospective DAPNIA 27 MAPS : les études à faire Exploration des process : épaisseur epi, taille pixel, profil du dopage, nb de couches métal, … Exploration des process : épaisseur epi, taille pixel, profil du dopage, nb de couches métal, … La collection de charge : améliorer S/N, réduire la taille du cluster, … La collection de charge : améliorer S/N, réduire la taille du cluster, … Architecture rapide : ADC, sparsification Architecture rapide : ADC, sparsification Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture de lecture Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture de lecture Tolérance aux radiations Tolérance aux radiations Transfert du signal : électrique ou optique Transfert du signal : électrique ou optique Amincissement et stitching : effet sur le budget matériel Amincissement et stitching : effet sur le budget matériel Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ? Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ? Support mécanique et intégration : <0.1%X 0 Support mécanique et intégration : <0.1%X 0 Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ? Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ?

28 7/12/2005 Prospective DAPNIA 28 CONCLUSIONS La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixels La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixels 3 ou 4 technologies sont étudiées 3 ou 4 technologies sont étudiées MAPS : ~20 labos travaillent MAPS : ~20 labos travaillent déjà de très beaux résultats déjà de très beaux résultats plusieurs applications pour dès 2008 plusieurs applications pour dès 2008 encore beaucoup d’efforts à faire encore beaucoup d’efforts à faire C’est le bon moment pour renforcer cette R&D. C’est le bon moment pour renforcer cette R&D.