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Les détecteurs de vertex du futur

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Les détecteurs de vertex du futur. Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp. PLAN. Un peu d’histoire (le paysage) Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur. Les limites des détecteurs actuels

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les d tecteurs de vertex du futur

Les détecteurs de vertex du futur

Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC

P.Lutz Spp

Prospective DAPNIA

slide2
PLAN
  • Un peu d’histoire (le paysage)
  • Les besoins de la physique (la tendance)

dictent les contraintes sur le détecteur.

  • Les limites des détecteurs actuels
  • Les principales lignes de R&D
  • La solution des MAPS

* les performances obtenues

* les challenges de la R&D

* les applications actuelles/futures

  • Conclusions

Prospective DAPNIA

slide3
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

Prospective DAPNIA

les besoins de physique qui sous tendent le cahier des charges
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. ct ~ 90 – 500 mm
  • 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.
  • * mesures des Br. du Higgs, des asymétries AFB, ALR, etc.
  • * 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-  HHZ  WWWWZ 10 jets

La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis.

Prospective DAPNIA

slide5
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 !

Prospective DAPNIA

slide6
Performances souhaitées pour l’ILC

5 couches concentriques (R=15-60mm,cosu<0.95)

sIP = a + b/p.sin3/2u avec a ~5mm, b<10mm

Read-out : 20-25ms (L0), 50ms (L1), ~200ms(autres)

Epaisseur : ~50mm (capteur), ~0.1%X0/couche

Dissipation moyenne << 100W (éviter le cooling)

Tol. radiations : 250 kRads et 6.1011 n/cm2 (5ans)

Prospective DAPNIA

some tagging performance plots in ee qq events
Some tagging performance plots in ee  qq events

Standard vertex detector, 91 GeV

Large Rbp 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)

Prospective DAPNIA

slide8
Column Parallel CCD

Readout time = N/Fout

M

N

N

“Classic CCD”

Readout time  NM/Fout

Les CCD

Pour pallier la lenteur, le RAL essaye une lecture // des colonnes

Mais la tenue aux radiations risque d’être insuffisante.

Prospective DAPNIA

les pixels hybrides le d tecteur pixels d atlas
Les pixels hybrides : Le détecteur à pixels d’ATLAS
  • 3 couches et 4*2 disques de pixels
  • 50 mm * 300 mm
  • Épaisseur : 300 mm
  • ssp = 12 mm (Rf)

~ 70 mm (z)

  • 1,4 %X0par couche
  • doit tenir 5 à 50*1013 neutrons/cm2/an

Prospective DAPNIA

les lignes des r d actuelles
Les lignes des R&D actuelles
  • Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …)
  • Les DEPFET (Bonn, Munich)
  • SOI detector (Insubria, Cracovie)

Prospective DAPNIA

caract ristiques et avantages des maps
Caractéristiques et avantages des MAPS

Silicium type p basse resistivité

Signal produit dans la couche epi

(low doping) Q ~80 e-h/mm

Collection par la jonction p-epi n-well

Avantages :

System-on-chip : monolithique vrai

Volume sensible = couche epi.

-> amincissement à 25 mm possible

Techno standard -> cout « faible »

Tolérance aux radiations > CCD

Prospective DAPNIA

slide12
Silicium de haute resistivité, fully depleted

DEPFET

Bonn/Munich group

MOS transistor instead of JFET

A pixel size of ca. 20 x 20 µm² is achievable using 3µm minimum feature size.

Une matrice de 520*4000

pixels a déjà été réalisée,

amincie à 50mm.

Impressionnant !

Reste hybride !

Prospective DAPNIA

soi detector
SOI detector

Insubria/Krakow group

Detector handlable wafer

  • High resistivity
  • 300 m thick

Electronics active layer

  • Low resistivity
  • 1.5 m thick
  • Readout pixels (min charge sharing): 10 m

Detector:conventional p+-n, DC-coupled

Electronics:preliminary solution – conventional bulk MOS technology on the thick SOI substrate

Prospective DAPNIA

maps en d tail
MAPS en détail
  • Les groupes impliqués dans la R&D
  • Les performances prouvées
  • La tolérance aux radiations
  • L’amincissement industriel
  • La vitesse de read-out
  • Applications en HEP, ailleurs
  • Les études à faire (shopping list)

Prospective DAPNIA

maps les groupes qui travaillent
MAPS: les groupes qui travaillent
  • Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie.
  • Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS.
  • CBM (GSI) : GSI et IReS.
  • ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon,

Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome.

Prospective DAPNIA

maps ce qui a t fait
MAPS: ce qui a été fait
  • Au moins 9 process explorés :

AMS0.6(14mm),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10mm)

AMI(MIETEC)0.35(4mm), IBM0.25(2mm), STM0.13(?)

TSMC0.35(11mm), TSMC0.25(~6mm)

  • Tests en faisceaux : performances

STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos)

BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos)

  • Résultats encourageants après 6 ans

excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution

analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre.

Prospective DAPNIA

maps exploration des processus de fabrication
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.
  • Architecture simple, analogique pure.
  • AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9)

S/N ~25 (MPV) edet > 99% ssp = 1.5mm (20mm)

5.0mm (40mm)

Prospective DAPNIA

maps la r solution spatiale
MAPS : la résolution spatiale
  • Versus la taille du pixel :

Mesurée sur télescope au CERN

(faisceau de p de 120 GeV/c)

ssp ~1.5mm (20mm pitch)

5.0mm (40mm pitch)

  • Versus S/N et ADC n-bits

Résultats excellents sur pixels sans

traitement intégré du signal.

Simulation probt pessimiste.

Prospective DAPNIA

maps tol rance aux radiations
MAPS : tolérance aux radiations
  • Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 1013neq/cm2

On commence à perdre en charge collectée vers 1012neq/cm2

Ileak et le bruit augmentent un peu (~10%).

Très dépendant du processus de fabrication !

Performances meilleures

avec T < 0°C

S/N (MPV) versus fluence et T

pour AMS-0.35 OPTO

Prospective DAPNIA

maps tol rance aux radiations1
MAPS : tolérance aux radiations
  • Les radiations ionisantes ont des effets connus :

décalage des seuils en tension, augmentation des Ileak

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.

Prospective DAPNIA

maps amincissement
MAPS : amincissement

Developpé sur Mimosa5 :

Amincissement à 120mm « aisé »

au niveau du wafer

et pas de pertes de performances

LBNL a réussi 50mm avec des

résultats satisfaisants (fragile!)

En France, TRACIT a atteint 70mm

et essaye de descendre à 40mm.

Attention: enlever totalement le

substrat n’est pas la solution : on

observe une perte de charge qui

fait baisser l’efficacité de detect.

Capteurs MIMOSA5 (3.5cm2)

Prospective DAPNIA

maps vitesse du read out
MAPS : vitesse du read-out
  • La granularité est attrayante, mais 5-50mm pitch => O(105-106)pixels/cm2
  • Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle.

data flow énorme : > O(102)Gbits/s/cm2

  • Deux solutions :

Trigger externe et pixels à multi-mémoires.

Data sparsification intégrée sur le chip.

Prospective DAPNIA

maps trigger based proto cap
MAPS : Trigger based proto (CAP)

Up to 10 memory cells/pixel, read out only if selected by external trigger

Prospective DAPNIA

maps system on chip
MAPS : system-on-chip
  • Mimosa 8 (DAPNIA)

* TSMC 0.25mm digital (~6mm epi)

* 32*128 pixels (25mm pitch)

* on-pixel CDS et discriminateur

au bas de chaque colonne.

  • Tests avec source et en faisceau

(e- 5 GeV à DESY) très encourageants

Prospective DAPNIA

maps system on chip1
MAPS : system-on-chip

MIMOSA8

  • 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 20ms
  • (source), 50ms (faisceau).
  • S/N pour MIPs : ~10
  • efficacité detection : > 98%

Prospective DAPNIA

maps applications
MAPS : applications
  • 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 10ms.

3 prototypes produits.

  • STAR (2008) veut mesurer le charme ouvert à RHIC.

2 couches (~1500cm2) à R=15 & 50mm, avec ssp<10mm, 0.1%X0,

read-out < 5ms, Pdiss < 100mW/cm2, opérant à 30-40°C, mais avec irradiation faible: O(10)kRad/an et 1011neq/cm2/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.

Prospective DAPNIA

maps les tudes faire
MAPS : les études à faire
  • 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, …
  • Architecture rapide : ADC, sparsification
  • Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture de lecture
  • Tolérance aux radiations
  • Transfert du signal : électrique ou optique
  • Amincissement et stitching : effet sur le budget matériel
  • Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ?
  • Support mécanique et intégration : <0.1%X0
  • Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ?

Prospective DAPNIA

conclusions
CONCLUSIONS
  • La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixels
  • 3 ou 4 technologies sont étudiées
  • MAPS : ~20 labos travaillent

déjà de très beaux résultats

plusieurs applications pour dès 2008

encore beaucoup d’efforts à faire

C’est le bon moment pour renforcer cette R&D.

Prospective DAPNIA

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