第３回CiRfSEワークショップ, 2017年1月24日

大川英希
筑波大学

数理物質系・数理物質融合科学センター

HL-LHCにおけるHV-CMOSセンサー•

CMOSを用いた、ITK Pixel upgradeの研究開発。Pixelの5層目あたりでの採用を目指している。

•

現在、HV-CMOS, HR-CMOS, SOIなど異なる技術を模索している、いくつかのグループに分かれている (参加研究機関・大学〜20)。

•

その中で、HV-CMOSテクノロジーを用いた、ジュネーブ大を筆頭とする共同研究グループに参加。AMS社のセンサーを用いて開発を行っている。

•

昨年11月に、照射サンプルのテストビームの結果を、arXivに提出。
https://arxiv.org/abs/1611.02669

大川英希

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

2

CCPDv4
Pixel Detectors• Capacitively-coupled(CCPD)•

I.Peric, JINST 7 (2012) C08002••

HV-CMOS市販品。

•簡単な糊付けが可能 (<1μm epoxy層)。

Pixel内で、amplification/discriminatorが可能 (低ノイズ: 120 e, 低閾値: 600 e)

pitchAMS H18 Process••NMOSP-welldeep N-well

薄いため、materialが少なく、時間分解能も良い。

depletedP-substrate

• 照射•

PMOS

P-welln-in-p, 厚さ 250μm, ピッチ125×33μm2

not depleted

中性子: JSI, Ljubljana (1×1015,5×1015 neq/cm2)

大川英希

•

陽子: Bernのサイクロトロン, 18 GeV(1.3×1014, 5×1014 neq/cm2)
3

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

CCPDv4
Pixel Detectors• Capacitively-coupled(CCPD)••••

HV-CMOS市販品。
HV-CMOS unit cell

Pixel内で、amplification/discriminatorが可能 (低ノイズ: 120 e, 低閾値: 600 e)

125 mm

HV-CMOSsensor50 mm

簡単な糊付けが可能 (<1μm epoxy層)。

250 mm
FE-I4 readout pixel
50 mm x 250 mm

AMS H18 Process

••

33mm

HV-CMOSpixel

n-in-p, 厚さ 250μm, ピッチ125×33μm2

HV-CMOS pixel
33 mm x 125 mmglue layer
single pixel readout cell
FE-I4 ASIC

薄いため、materialが少なく、時間分解能も良い。

• 照射
•大川英希

中性子: JSI, Ljubljana (1×1015,5×1015 neq/cm2)•

陽子: Bernのサイクロトロン, 18 GeV(1.3×1014, 5×1014 neq/cm2)

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

4

テストビーム
JINST 11 (2016) P07003

arXiv:1611.02669
    • 

ジュネーブ大は、FE-I4を使った自前のテレスコープを持っており、これをCERN SPSのテストビーム (180 GeV π+)で使用。

•••

IBL module plane 6つ。 1 planeあたり~27,000 pixels (250x50μm‚)
位置分解能: ~12 x 8μm.

Cooling boxは、右図のものを使用 (-28°C 窒素, CCPD -28.7°C, Readout chip 26.9°C)。シミュレーションで、ボックス内の温度分布を評価するなど、詳細なチェックが行われた。

大川英希

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

5Readout• 現在、チーム内でいくつかのreadout system (BNL/Geneva, IFAE, Liverpool)が存在。

• ブルックヘブン国立研究所とジュネーブ大が開発しているのが、CaRIBOu(Control and Readout Itk BOard)システム (JINST (2017)12 P01008)• この開発研究に加わり、現在、ソフトウェアのフレームワークなどを確認中。
Front-End
Chip Board

大川英希

Samtec SEAF/M

Front End AssemblyControl andReadout Board

VHDCI
Cable

Central Interface
Board
Xilinx ZC706

GBT
Link

FELIX
PCIe CardPC
Workstation    

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

6ヒット効率99.8

ε = 99.7%

400

99.7 99.4 99.5 99.8 99.7 99.6 99.3 99.7 99.6 99.8 99.7

99.6

99.9 99.8 99.8 99.9 99.8 99.7 99.7 99.8 99.7 99.8 99.7

99.9

99.8 99.7 99.6 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.6

99.8

99.7 99.8 99.6 99.8 99.7 99.7 99.8 99.7 99.8 99.7 99.8

99.8

99.9 99.8 99.8 99.9 99.9 99.9 99.8 99.8 99.7 99.8 99.7

99.7

99.6 99.7 99.5 99.5 99.6 99.9 99.4 99.7 99.6 99.7 99.7

99.7

99.3

99.8 99.8 99.8 99.8 99.9 99.9 99.7 99.6 99.8 99.8 99.7

99.7

99.2

99.6 99.8 99.7 99.6 99.6 99.7 99.7 99.6 99.6 99.6 99.8

99.6

99.7

+

FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π , 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4 samples

1006099.5
099.4−2500250

500

7501000••

照射後も、高いヒット効率を維持。
Thresholdが低いと、ノイズの大きいpixelが増え、マスクが必要になるために、効率が落ちる。

•Thresholdが高いと、ヒットが抑制される。

大川英希

099x [μm]83848586

5 ⋅ 1014 neq/cm 2, proton - Th. = 0.09 V
15
10 neq/cm 2, neutron - Th. = 0.08 V
15
5 ⋅ 10 neq/cm 2, neutron - Th. = 0.1 V

20

Efficiency [%]−50081 82

non irradiated - Th. = 0.07 V1.3 ⋅ 1014 neq/cm 2, proton - Th. = 0.07 V

4099.1−40099989796959493 80

HV [V]−200−75080

99.6

200−1000

Efficiency [%]Bias = 85 [V] ; Threshold = 0.080 [V]

99.9

Efficiency [%]FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π , 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4 neutron irradiated 1015 neq/cm2600

Efficiency [%]y [μm]

arXiv:1611.02669
100+020110

406080100

HV [V]

FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π+, 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4 samples

100908070

non irradiated - HV = 85 V2601.3 1014 neq/cm , proton - HV = 85 V505 ⋅ 10 neq/cm , proton - HV = 60 V
15210 neq/cm , neutron - HV = 85 V2145 ⋅ 1040
0.04

0.060.08

152neq/cm , neutron - HV = 85 V

0.1

0.12

0.14

Threshold [V]7

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

タイミング
AMS-H18, CCPD4,
15
neutron irradiated 10 neq/cm2

7060

60

40Bias = 85 [V] ; Threshold = 0.080 [V]

1.1

1.3 ⋅ 1014 neq/cm2, proton - HV = 85 V - Th. = 0.07 V50

5 ⋅ 1014 neq/cm2, proton - HV = 60 V - Th. = 0.09 V

40201.05

1510 neq/cm2, neutron - HV = 85 V - Th. = 0.08 V

300155 ⋅ 10 neq/cm2, neutron - HV = 85 V - Th. = 0.1 V

1−2020−40

1001.15+80 FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π , 180 GeV)

Timing [BC]FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π+, 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4 irradiated samples

80

y [μm]

Efficiency [%]arXiv:1611.02669

0.95

0246810121416BC [25 ns]−60−75−50−250255075x [μm]•タイミングについては、まだ改善が必要 (１バンチクロッシング内に入るものが、99%という性能要求)。

•テレスコープのトリガーについても、もう少し調整が必要。

大川英希

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

8纏め• 今年度から、ジュネーブ大・ブルックヘブン国立研究所・その他による、
ITK Pixel upgradeのためのHV-CMOSセンサーの開発研究チームに加わった。

• 照射後のサンプルのテストビームにも参加。
• AMS H35 processについても試験している。
• 現在、ブルックヘブン国立研究所が開発を進めるReadoutの開発に加わり始めている。

大川英希

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

backups9

ヒット効率100
600

FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π+, 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4 neutron irradiated 1015 neq/cm2
Bias = 85 [V] ; Threshold = 0.080 [V]40099.999.8

ε = 99.7%

99.7 99.4 99.5 99.8 99.7 99.6 99.3 99.7 99.6 99.8 99.7

99.6

99.9 99.8 99.8 99.9 99.8 99.7 99.7 99.8 99.7 99.8 99.7

99.9

99.8 99.7 99.6 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.6

99.8

99.7 99.8 99.6 99.8 99.7 99.7 99.8 99.7 99.8 99.7 99.8

99.8

99.9 99.8 99.8 99.9 99.9 99.9 99.8 99.8 99.7 99.8 99.7

99.7

99.6 99.7 99.5 99.5 99.6 99.9 99.4 99.7 99.6 99.7 99.7

99.7

99.3

99.8 99.8 99.8 99.8 99.9 99.9 99.7 99.6 99.8 99.8 99.7

99.7

99.2

99.6 99.8 99.7 99.6 99.6 99.7 99.7 99.6 99.6 99.6 99.8

99.6

Efficiency [%]arXiv:1611.02669
y [μm]JINST 11 (2016) P07019

99.7
99.6

200

99.5
099.4

−200

99.1

−400
−1000

−750

−500

−2500250

500

750

1000

99

Number of pixels

x [μm]
FE-I4 telescope - SPS data 2016 (π+, 180 GeV)
AMS-H18, CCPDv4,
152
neutron irradiated 5 ⋅ 10 neq/cm

1614

Bias = 85 [V] ; Threshold = 0.100 [V]12ε = 97.6%

1086420大川英希

828486

第３回CiRfSEワークショップ・素粒子構造部門

8890

92

94

96

98 100 102
Efficiency [%]11