Pixel Detectors for Tracking and their Spin-off in Imaging Applications

To detect tracks of charged particles close to the interaction point in high energy physics experiments of the next generation colliders, hybrid pixel detectors, in which sensor and read-out IC are separate entities, constitute the present state of the art in detector technology. Three of the LHC detectors as well as the BTeV detector at the Tevatron will use vertex detectors based on this technology. A development period of almost 10 years has resulted in pixel detector modules which can stand the extreme rate and timing requirements as well as the very harsh radiation environment at the LHC for its full life time and without severe compromises in performance. From these developments a number of different applications have spun off, most notably for biomedical imaging. Beyond hybrid pixels, a number of trends and possibilities with yet improved performance in some aspects have appeared and presently developed to greater maturity. Among them are monolithic or semi-monolithic pixel detectors which do not require complicated hybridization but come as single sensor/IC entities. The present state in hybrid pixel detector development for the LHC experiments as well as for some imaging applications is reviewed and new trends towards monolithic or semi-monolithic pixel devices are summarized.Comment: 24 pages, 16 figure

Electronic systems for intelligent particle tracking in the High Energy Physics field

This Ph.D thesis describes the development of a novel readout ASIC for hybrid pixel detector with intelligent particle tracking capabilities in High Energy Physics (HEP) application, called Macro Pixel ASIC (MPA). The concept of intelligent tracking is introduced for the upgrade of the particle tracking system of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN: this detector must be capable of selecting at front--end level the interesting particle and of providing them continuously to the back-end. This new functionality is required to cope with the improved performances of the LHC when, in about ten years' time, a major upgrade will lead to the High Luminosity scenario (HL-LHC). The high complexity of the digital logic for particle selection and the very low power requirement of 95% in particle selection and a data reduction from 200 Tb/s/cm2 to 1 Tb/s/cm2. A prototype, called MPA-Light, has been designed, produced and tested. According to the measurements, the prototype respects all the specications. The same device has been used for multi-chip assembly with a pixelated sensor. The assembly characterization with radioactive sources conrms the result obtained on the bare chip

PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the heavy-ion experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. As an important part of its upgrade plans, the ALICE experiment will schedule the installation of a new Inner Tracking System (ITS) during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC. The new ITS layout will consist of seven concentric layers, ¿ 12.5 Gigapixel camera covering about 10m2 with Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). This choice of technology has been guided by the tight requirements on the material budget of 0.3% X/X0 per layer for the three innermost layers and backed by the significant progress in the field of MAPS in recent years. The technology initially chosen for the ITS upgrade is the TowerJazz 180 nm CMOS Technology. It offers a standard epitaxial layer of 15 - 18 µm with a resistivity between 1 and 5 k¿ cm¿1 and a gate oxide thickness below 4 nm, thus being more robust to Total Ionizing Dose (TID). The main subject of this thesis is to implement a novel digital pixel readout architecture for MAPS. This thesis aims to study this novel readout architecture as an alternative to the rolling-shutter readout. However, this must be investigated through the study of several chip readout architectures during the R&D phase. Another objective of this thesis is the study and characterization of TowerJazz, if it meets the Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Single Event Effects (SEE) of the ALICE ITS upgrade program. Other goals of this thesis are: ¿ Implementation of the top-down flow for this CMOS process and the design of multiple readouts for different prototypes up to the assembly of a full-scale prototype. xvii Abstract ¿ Characterization of the radiation hardness and SEE of the chips submitted to fabrication. ¿ Characterization of full custom designs using analog simulations and the generation of digital models for the simulation chain needed for the verification process. ¿ Implementation and study of different digital readouts to meet the ITS upgrade program in integration time, pixel size and power consumption, from the conceptual idea, production and fabrication phase. Chapter 1 is a brief overview of CERN, the LHC and the detectors complex. The ALICE ITS will be explained, focusing on the ITS upgrade in terms of detector needs and design constraints. Chapter 2 explains the properties of silicon detectors and the detector material and the principles of operation for MAPS. Chapters 3 and 4 describe the ALPIDE prototypes and their readout based on MAPS; this forms the central part of this work, including the multiple families of pixel detectors fabricated in order to reach the final design for the ITS. The ALPIDE3/pALPIDE3B chip, the latest MAPS chip designed, will be explained in detail, as well focusing in the matrix digital readout. In chapter 5 the noise measurements and its characterization are presented including a brief summary of detector response to irradiation with soft X-rays, sources and particle beams.El sub detector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es un detector de vértice y es el detector mas cercano al punto de interacción. Se encuentra conformado por 3 tipos de subdetectores, dos capas de pixel de silicio (Silicon Pixel Detectors), 2 capas de acumulación de silicio (Silicon Drift Detectors) y 2 capas de banda de Silicio (Silicon Strip Detectors). La función primaria del ITS es identificar y rastrear las partículas de bajo momentum transversal. El detector ITS en sus dos capas más internas están equipadas con sensores de silicio basados en píxeles híbridos. Para reemplazar esta tecnología de Píxeles, el detector ITS actual será reemplazado por un nuevo detector de una sola tecnología, ampliando su resolución espacial y mejorando el rastreo de trazas. Este nuevo detector constará de siete capas de sensores de píxeles activos monolíticos (MAPS), las cuales deberán satisfacer los requerimientos de presupuesto de materiales y ser tolerantes a mayores niveles de radiación para los nuevos escenarios de incrementos de luminosidad y mayores tasas de colisiones. Los sensores MAPS que integran el sensor de imagen y los circuitos de lectura se encuentran en la misma oblea de silicio, tienen grandes ventajas en una buena resolución de posición y un bajo presupuesto material en términos de bajo coste de producción. TowerJazz ofrece la posibilidad de una cuádruple-WELL aislando los transistores pMOS que se encuentran en la misma nWELL evitando la competencia con el electrodo de recolección, permitiendo circuitos mas complejos y compactos para ser implementados dentro de la zona activa y además posee una capa epitaxial de alta resistividad. Esta tecnología proporciona una puerta de óxido muy delgado limitando el daño superficial por la radiación haciéndolo adecuado para su uso denxiii Resúmen tro del experimento ALICE. En los últimos cuatro años se ha llevado a cabo una intensiva I+D en MAPS en el marco de la actualización del ITS de ALICE. Varios prototipos a pequeña escala se han desarrollado y probado exitosamente con rayos X, fuentes radioactivas y haces de partículas. La tolerancia a la radiación de ALICE ITS es moderada con una tolerancia de irradiación TID de 700 krad y NIEL de 1 × 1013 1 MeV neqcm¿2 , MAPS es una opción viable para la actualización del ITS. La contribución original de esta tesis es la implementación de una nueva arquitectura digital de lectura de píxeles para MAPS. Esta tesis presenta un codificador asíncrono de direcciones (arquitectura basada en la supresión de ceros transmitiendo la dirección de los píxeles excitados denominada PADRE) para la arquitectura ALPIDE, el autor también hizo una contribución significativa en el ensamblaje y veri- ficación de circuitos. PADRE es la principal investigación del autor, basada en un codificador de prioridad jerárquica de cuatro entradas y es una alternativa a la arquitectura de lectura rolling-shutter. Además de los prototipos a pequeña escala, también se han desarrollado prototipos a escala completa a las necesidades del detector ITS (15 mm y 30 mm) empleando un nuevo circuito de lectura basado en la versión personalizada del circuito PADRE. El pALPIDEfs fue el primer prototipo a escala completa y se caracterizó obteniendo un tiempo de lectura de la matriz por debajo de 4 µs y un consumo de energía en el orden de 80 mWcm¿2 . En general, los resultados obtenidos representan un avance significativo de la tecnología MAPS en cuanto al consumo de energía, velocidad de lectura, tiempo de recolección de carga y tolerancia a la radiación. El sensor pALPIDE2 ha demostrado ser una opción muy atractiva para el nuevo detector ITS, satisfaciendo los requerimientos en términos de eficiencia de detección, fake-hit rate y resolución de posición, ya que su rendimiento no puede alcanzarse mediante prototipos basados en la arquitectura de lectura tradicionales como esEl subdetector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és un detector de vèrtex i és el detector mes proper al punt d'interacció. Es troba conformat per 3 tipus de subdetectors, dues capes de píxel de silici (Silicon Pixel Detectors), 2 capes d'acumulació de silici (Silicon Drift Detectors) i 2 capes de banda de Silici (Silicon Strip Detectors). La funció primària del ITS és identificar i rastrejar les partícules de baix moment transversal. El detector ITS en les seues dues capes més internes estan equipades amb sensors de silici basats en píxels híbrids. Per a reemplaçar aquesta tecnologia de Píxels, el detector ITS actual serà reemplaçat per un nou detector d'una sola tecnologia, ampliant la seua resolució espacial i millorant el rastreig de traces. Aquest nou detector constarà de set capes de sensors de píxels actius monolítics (MAPS), les quals hauran de satisfer els requeriments de pressupost de materials i ser tolerants a majors nivells de radiació per als nous escenaris d'increments de lluminositat i majors taxes de col·lisions. Els sensors MAPS que integren el sensor d'imatge i els circuits de lectura es troben en la mateixa hòstia de silici, tenen grans avantatges en una bona resolució de posició i un baix pressupost material en termes de baix cost de producció. TowerJazz ofereix la possibilitat d'una quàdruple-WELL aïllant els transistors pMOS que es troben en la mateixa nWELL evitant la competència amb l'elèctrode de recol·lecció, permetent circuits mes complexos i compactes per a ser implementats dins de la zona activa i a més posseeix una capa epitaxial d'alta resistivitat. Aquesta tecnologia proporciona una porta d'òxid molt prim limitant el dany superficial per la radiació fent-ho adequat per al seu ús dins de l'- experiment ALICE. En els últims quatre anys s'ha dut a terme una intensiva R+D en MAPS en el marc de l'actualització del ITS d'ALICE. Diversos prototips a petita escala s'han desenvolupat i provat ix Resum reeixidament amb rajos X, fonts radioactives i feixos de partícules. La tolerància a la radiació d'ALICE ITS és moderada amb una tolerància d'irradiació TID de 700 krad i NIEL d'1× 1013 1MeV neqcm¿2 , MAPS és una opció viable per a l'actualització del ITS. La contribució original d'aquesta tesi és la implementació d'una nova arquitectura digital de lectura de píxels per a MAPS. Aquesta tesi presenta un codificador asíncron d'adreces (arquitectura basada en la supressió de zeros transmetent l'adreça dels píxels excitats denominada PADRE) per a l'arquitectura ALPIDE, l'autor també va fer una contribució significativa en l'assemblatge i verificació de circuits. PADRE és la principal recerca de l'autor, basada en un codificador de prioritat jeràrquica de quatre entrades i és una alternativa a l'arquitectura de lectura rolling-shutter. A més dels prototips a petita escala, també s'han desenvolupat prototips a escala completa a les necessitats del detector ITS (15 mm i 30 mm) emprant un nou circuit de lectura basat en la versió personalitzada del circuit PADRE. El pALPIDEfs va ser el primer prototip a escala completa i es va caracteritzar obtenint un temps de lectura de la matriu per sota de 4 µs i un consum d'energia en l'ordre de 80 mWcm¿2 . En general, els resultats obtinguts representen un avanç significatiu de la tecnologia MAPS quant al consum d'energia, velocitat de lectura, temps de recol·lecció de càrrega i tolerància a la radiació. El sensor pALPIDE2 ha demostrat ser una opció molt atractiva per al nou detector ITS, satisfent els requeriments en termes d'eficiència de detecció, fake-hit rate i resolució de posició, ja que el seu rendiment no pot aconseguir-se mitjançant prototips basats en l'arquitectura de lectura tradicionals com és el rolling-shutter dissenyat en la mateixa tecnologia. Per aquesta raó, la R+D en els prototips ALPIDE ha continuat amb l'objectiu d'optimitzaMarín Tobón, CA. (2017). PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86154TESI

Belle II Technical Design Report

The Belle detector at the KEKB electron-positron collider has collected almost 1 billion Y(4S) events in its decade of operation. Super-KEKB, an upgrade of KEKB is under construction, to increase the luminosity by two orders of magnitude during a three-year shutdown, with an ultimate goal of 8E35 /cm^2 /s luminosity. To exploit the increased luminosity, an upgrade of the Belle detector has been proposed. A new international collaboration Belle-II, is being formed. The Technical Design Report presents physics motivation, basic methods of the accelerator upgrade, as well as key improvements of the detector.Comment: Edited by: Z. Dole\v{z}al and S. Un

Study of Single-Event Transient Effects on Analog Circuits

Radiation in space is potentially hazardous to microelectronic circuits and systems such as spacecraft electronics. Transient effects on circuits and systems from high energetic particles can interrupt electronics operation or crash the systems. This phenomenon is particularly serious in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs) since most of modern ICs are implemented with CMOS technologies. The problem is getting worse with the technology scaling down. Radiation-hardening-by-design (RHBD) is a popular method to build CMOS devices and systems meeting performance criteria in radiation environment. Single-event transient (SET) effects in digital circuits have been studied extensively in the radiation effect community. In recent years analog RHBD has been received increasing attention since analog circuits start showing the vulnerability to the SETs due to the dramatic process scaling. Analog RHBD is still in the research stage. This study is to further study the effects of SET on analog CMOS circuits and introduces cost-effective RHBD approaches to mitigate these effects. The analog circuits concerned in this study include operational amplifiers (op amps), comparators, voltage-controlled oscillators (VCOs), and phase-locked loops (PLLs). Op amp is used to study SET effects on signal amplitude while the comparator, the VCO, and the PLL are used to study SET effects on signal state during transition time. In this work, approaches based on multi-level from transistor, circuit, to system are presented to mitigate the SET effects on the aforementioned circuits. Specifically, RHBD approach based on the circuit level, such as the op amp, adapts the auto-zeroing cancellation technique. The RHBD comparator implemented with dual-well and triple-well is studied and compared at the transistor level. SET effects are mitigated in a LC-tank oscillator by inserting a decoupling resistor. The RHBD PLL is implemented on the system level using triple modular redundancy (TMR) approach. It demonstrates that RHBD at multi-level can be cost-effective to mitigate the SEEs in analog circuits. In addition, SETs detection approaches are provided in this dissertation so that various mitigation approaches can be implemented more effectively. Performances and effectiveness of the proposed RHBD are validated through SPICE simulations on the schematic and pulsed-laser experiments on the fabricated circuits. The proposed and tested RHBD techniques can be applied to other relevant analog circuits in the industry to achieve radiation-tolerance

Sigma-Delta control of charge trapping in heterogeneous devices

Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell.La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas.Postprint (published version