Elettronica di front-end per rivelatori di radiazione

1. Elettronica di front-end per rivelatori di radiazione Attività di ricerca e proposte per lo svolgimento della tesi di laurea specialistica presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica

2. Gruppo di ricerca Prof. Valeria Speziali, capo del gruppo di Strumentazione Elettronica Lodovico Ratti, responsabile del Laboratorio di Strumentazione Elettronica Stretta collaborazione con gruppo del prof. Valerio Re dell’Università di Bergamo (Massimo Manghisoni, Gianluca Traversi) Tre dottorandi attualmente impegnati in attività di ricerca presso il nostro gruppo Durata media dell’attività di tesi: 6 mesi

3. Collaborazioni con enti nazionali ed internazionali Stanford Linear Accelerator Center, Stanford, USA Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, USA Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA European Center for Nuclear Research (CERN), Geneva, Switzerland STMicroelectronics Brookheaven National Laboratory, Upton, USA

4. Linee di ricerca L’attività del gruppo di Strumentazione Elettronica è incentrata sullo sviluppo di elettronica di lettura a basso rumore per rivelatori di radiazione, con impiego prevalente nella fisica delle alte energie (HEP) Le ricadute di questa attività interessano molteplici settori: strumentazione per radioterapia e radiodiagnostica in medicina astronomia (spaziale e terrestre) in varie regioni dello spettro radiografia industriale homeland security elettronica per satelliti in orbita terrestre e per l’esplorazione dello spazio analisi delle opere d’arte

5. Linee di ricerca (cont’d) Progetto di elettronica di lettura in tecnologia integrata per rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale Sviluppo di sensori monolitici a pixel attivi (MAPS) in tecnologia CMOS deep submicron per applicazioni a minimo ingombro e bassa dissipazione di potenza Caratterizzazione di dispositivi e circuiti realizzati con tecnologie innovative Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche (Lmin=130 nm, 90 nm, 65 nm) Test di dispositivi appartenenti a processi produttivi CMOS su strato isolante (silicon on insulator, SOI, Lmin=180 nm) Sviluppo di strumentazione per misure di rumore di elevata precisione su un esteso intervallo di frequenze Studio degli effetti delle radiazioni su dispositivi e circuiti

6. Rivelatori di particelle o di radiazione Nella fisica delle alte energie, un rivelatore di radiazione serve a ricostruire il percorso e/o identificare la natura delle particelle prodotte da decadimento nucleare, dalla radiazione cosmica o in un acceleratore di particelle Diversi rivelatori di radiazione sono assemblati in apparati di una certa complessità (anch’essi chiamati rivelatori in senso lato), alla cui costruzione contribuisce generalmente una molteplicità di gruppi

7. Esempio: rivelatore per l’esperimento CMS (LHC)

8. Sezione analogica Preamplificatore Gf Cf Blocchi di conversione A/D ed eleaborazione digitale Formatore - Qin CD Rivelatore Canali di lettura per rivelatori di radiazione La misura dell’energia rilasciata da una particella in un rivelatore di radiazione implica la misura della carica rilasciata da una sorgente di tipo capacitivo con la massima accuratezza compatibile con il rumore del sistema di amplificazione Il tipo di tecnologia utilizzato per la realizzazione dell’elettronica dipende dal tipo di rivelatore

9. Sensori monolitici a pixel attivi (MAPS) CMOS Sviluppati come rivelatori di immagine nella regione dello spettro visibile (videocamere CMOS) Integrano sul medesimo substrato rivelatore ed elettronica di lettura ( sensori monolitici) Sono caratterizzati da una regione sensibile molto sottile (~10 μm) Se assottigliati, possono essere utilizzati come rivelatori a basso ingombro ( ridotta interazione con le particelle, elevata risoluzione nella ricostruzione delle traiettorie)

10. PMOS (analog) PMOS NMOS (analog) (digital) P-well Buried N-type layer Standard N-well Deep N-well P-epitaxial layer - - - - P-substrate + + + + - - - + + + MAPS in deep N-well (DNW) per esperimenti di HEP NMOS La deep N-well è usata come elettrodo di raccolta Un canale di lettura più complesso del semplice schema a 3 NMOS (3T) può essere utilizzato per l’elaborazione del segnale NMOS della sezione analogica realizzati all’interno della deep N-well La realizzazione di un elettrodo di raccolta di grandi dimensioni consente di utilizzare anche dispositivi PMOS nel disegno dell’elettronica di front-end  migliori prestazioni e più elevata densità di funzioni integrata vicino al sensore

11. Prototipi di MAPS DNW già disponibili (Apsel) Preamplifier Shaper Discriminator Latch Preamplificatore ad elevata sensibilità di carica VF Gm Formatore RC-CR con tempi di picco programmabili (0.5, 1 e 2 μs) b0 b1 CF C2 C1 + A(s) Comparatore seguito da latch Vt b0 b1 PMOS RST PMOS NMOS P-well Due strutture di test già realizzate in tecnologia CMOS deep submicron con Lmin=130 nm (STMicroelectronics) ~43 mm Il test sui primi due prototipi ha già consentito di verificare la capacità del sensore di raccogliere la carica rilasciata nel substrato e la capacità dell’elettronica di effettuare una elaborazione del segnale a basso rumore ~43 mm

12. Circuiti in fase di produzione (serie Apsel) Circuiti di test in tecnologia CMOS con lunghezza minima di canale pari a 130 nm Circuiti di test in tecnologia CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 nm

13. Preamplifier • Discriminator Sparsification logic • Token passing core • Hit-latch • Bus control FF • Nand gate DNW sensor Time stamp register Circuiti in fase di produzione (serie SDR) Circuito a segnali misti, analogici e digitali, in tecnologia CMOS con Lmin=130 nm 25 mm 25 mm

14. Readout CK 4 X 4 Y MUX 5 Serial data output T Cell CK 4 5 4 5 4 5 Time Stamp Buffer 1 Time Stamp Buffer 2 Time Stamp Buffer 16 X=1 X=2 X=16 1 1 1 5 5 5 Cell (1,1) Cell (1,2) Cell (1,16) gXb gXb gXb First token in TS TS TS Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout 4 1 gYb gYb gYb Y=1 Cell (2,1) Cell (2,2) Cell (2,16) gXb gXb gXb TS TS TS Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin 4 1 gYb gYb gYb Y=2 Cell (16,1) Cell (16,2) Cell (16,16) gXb gXb gXb Last token out TS TS TS Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin 4 1 gYb gYb gYb Y=16 Schema di readout digitale (SDR0) gXb=get_X_bus gYb=get_Y_bus TS=Time_Stamp Tkin=token_in Tkout=Token_out

15. Possibili argomenti di tesi su MAPS CMOS Caratterizzazione di pixel monolitici attivi in tecnologia CMOS da 130 nm (serie Apsel e SDR) Caratterizzazione di pixel monolitici attivi in tecnologia CMOS da 90 nm (serie Apsel) Allestimento di setup per la caratterizzazione di rivelatori con laser infrarosso Progetto di pixel monolitici in tecnologia CMOS deep submicron (130 nm, 90 nm) Simulazione a livello fisico di sensori MAPS con software ISE-TCAD e/o con l’applicazione di algoritmi Monte Carlo per l’ottimizzazione geometrica del sensore (in 2D e 3D)

16. Caratterizzazione di dispositivi e circuiti realizzati con tecnologie innovative Interesse legato alle particolari prestazioni di rumore e resistenza alle radiazioni richieste all’elettronica di front-end per rivelatori di particelle Nel caso delle tecnologie CMOS, dato il rapido avvicendarsi delle generazioni di processi produttivi e l’altrettanto rapida obsolescenza delle vecchie generazioni, è opportuno tenere sotto controllo l’evoluzione dei parametri di maggior interesse Nonostante l’interesse sia rivolto principalmente al campo dei circuiti di lettura per rivelatori di radiazione, i risultati di questa attività hanno validità ed utilità più generale e trovano applicazione in diversi campi dell’elettronica

17. Tecnologie bulk CMOS deep submicron Transistori singoli in tecnologia CMOS HCMOS9 (Lmin=130 nm) e CMOS090 (Lmin=90 nm) prodotti da STMicroelectronics sono attualmente in fase di caratterizzazione HCMOS9 CMOS090 Caratteristiche della tecnologia • VDD = 1.2 V • tOX= 2 nm • COX=15 fF/μm2 Geometrie disponibili • W = 200, 600, 1000 μm • L = 0.13 - 1 μm Caratteristiche della tecnologia • VDD = 1 V • tOX= 1.6 nm • COX=18 fF/μm2 Geometrie disponibili • W = 100, 200, 600, 1000 μm • L = 0.1 – 0.7 μm La tecnologia CMOS065 (Lmin=65 nm) è già accessibile attraverso multiproject wafer per la realizzazione di prototipi Un aspetto interessante è costituito dall’analisi teorica e sperimentale della corrente di gate, non più trascurabile quando l’ossido di gate è così sottile

18. Esempi di misura di corrente di gate La corrente di gate varia con lo spessore dell’ossido di gate  la corrente di gate è circa 3 ordini di grandezza maggiore nella tecnologia CMOS da 90 nm rispetto aa quella da 130 nm

19. Inverter in bulk CMOS Inverter in CMOS SOI Tecnologie CMOS silicon on insulator (SOI) Le tecnologie CMOS SOI offrono alcuni vantaggi rispetto alle tecnologie CMOS bulk Riduzione delle capacità parassite verso il substrato Maggiore velocità operativa Riduzione della potenza dissipata Più elevata densità di integrazione Maggiore resistenza a certi tipi di danno da radiazione (Single Event Upset, SEU) Tecnologia CMOS SOI con Lmin=180 nm prodotta dai Lincoln Labs del MIT (MITLL 0.18 μm)

20. O p t i c a l I n O p t i c a l O u t O p t o E l e c t r o n i c s P o w e r I n a n d / o r V o l t a g e R e g u l a t i o n D i g i t a l L a y e r A n a l o g L a y e r 5 0 u m S e n s o r L a y e r Tecnologie CMOS SOI per sensori 3D La tecnologia MITLL 0.18 μm viene utilizzata nella realizzazione di sensori monolitici 3D In genere un chip 3D include 2 o più strati di dispositivi a semiconduttore opportunamente assottigliati, uniti a formare un dispositivo monolitico (tramite tecniche di wafer bonding) e interconnessi tra loro mediante via metallici

21. Amplificatore a transimpedenza a basso rumore Circuito di polarizzazione di gate e drain RF Stadio di guadagno Analizzatore di spettro Circuito di polarizzazione del bulk/well S D.U.T. Strumentazione per misure di rumore La misura del rumore elettronico nei dispositivi CMOS richiede la realizzazione di circuiti di interfaccia (tra dispositivo ed analizzatore di spettro) Larga banda (>100 MHz) Rumore elettronico estremamente basso

22. Esempi di misure di densità spettrale di rumore La banda del circuito di interfaccia deve essere tale da consentire di distinguere il contributo bianco (indipendente dalla frequenza) dal contributo di tipo 1/f

23. Studio della resistenza alle radiazioni in dispositivi e circuiti elettronici La radiazione (raggi γ ed X, particelle cariche, ioni) può determinare guasti più o meno gravi nei circuiti elettronici In circuiti digitali può produrre guasti temporanei o permanenti Nei circuiti analogici, l’aumento del rumore elettronico può causare una riduzione della sensibilità, fino a rendere il sistema inutilizzabile Lo studio del danno da radiazione riveste un duplice interesse Determinazione dei limiti di tolleranza alle radiazioni dei circuiti elettronici Studio di meccanismi fisici fondamentali attraverso l’analisi del danno da radiazione in dispositivi elettronici

24. + + D + + G + + + + S D STI STI G + + + + + + + + + + + + + + + S + + Resistenza alle radiazioni in dispositivi CMOS Nei dispositivi CMOS l’effetto principale della radiazione ionizzante consiste nella generazione di carica all’interno dell’ossido di silicio (ossido di gate, ossido di campo, shallow trench isolation) e/o all’interfaccia Si/SiO2 L’esposizione a radiazione ionizzante può dunque comportare variazione della tensione di soglia, aumento delle correnti di leakage ed aumento del rumore elettronico Può essere interessante verificare che la tolleranza alle radiazioni è maggiore nelle generazioni CMOS più recenti a causa della riduzione dello spessore dell’ossido di gate

25. Possibili argomenti di tesi relativi a caratterizzazione di tecnologie CMOS bulk e CMOS SOI Studio teorico e sperimentale delle caratteristiche di rumore in dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 e 65 nm Realizzazione di strutture di test in tecnologia CMOS da 90 e 65 nm per lo studio delle proprietà di rumore e delle tecniche di hardening by design (i.e. enclosed layout transistors, ELT) Studio della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 nm e 65 nm Caratterizzazione sotto il profilo del rumore e della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS SOI con lunghezza minima di canale da 180 nm Analisi teorica e sperimentale della corrente di gate e del rumore nella medesima corrente in tecnologie con lunghezza minima di canale pari a 130, 90 e 65 nm Sviluppo di circuiti di interfaccia a larga banda per misure di rumore su dispositivi elettronici

26. Quali opportunità offre una tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica L’attività di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica può coprire gli aspetti teorici e/o sperimentali degli argomenti proposti Offre allo studente, a seconda dell’argomento affrontato, la possibilità di acquisire competenze relativamente a progetto di circuiti analogici a basso rumore elettronico uso degli strumenti software più diffusi per la simulazione ed il progetto di circuiti elettronici caratteristiche delle tecnologie CMOS bulk di più recente introduzione e di altre tecnologie innovative (e.g. CMOS SOI) comportamento dei dispositivi elettronici, anche a livello fisico, approfondito a livello sia teorico, sia sperimentale uso di strumentazione di laboratorio avanzata

27. BACKUP SLIDES

28. 22T 14T CF Vt iF Front-end analogico della cella (SDR0) Preamplifier Discriminator Smaller area than in the Apsel prototypes  smaller detector capacitance ENC=25 e- rms@CD=100 fF Power consumption: about 5 μW Preamplifier response to an 800 e- pulse Threshold dispersion: about 30 e- rms Features power-down capabilities for power saving

29. t1 t2 t3 t4 t5 WE OE hit S D Q getb_en Q OEb t1in t2in t3in t4in t5in hitb R CP Qb Qb Lat_en tokin CPb tokout tokrst Cell CK Sezione digitale della cella (SDR0) Includes a 5 bit time stamp register and the data sparsification logic Get X bus Get Y bus During the bunch train period, the hit latch is set in each pixel that is hit When the pixel is hit, the content of the time stamp register gets frozen 4T To the time stamp buffer Master Reset 76T From the discriminator 10T 20T 13T time stamp register bus control FF hit latch From the time stamp counter token passing core Cell CK

30. Readout CK 4 X 4 Y MUX 5 Serial data output T Cell CK 4 5 4 5 4 5 Time Stamp Buffer 1 Time Stamp Buffer 2 Time Stamp Buffer 16 X=1 X=2 X=16 1 1 1 5 5 5 Cell (1,1) Cell (1,2) Cell (1,16) gXb gXb gXb First token in TS TS TS Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout 4 1 gYb gYb gYb Y=1 Cell (2,1) Cell (2,2) Cell (2,16) gXb gXb gXb TS TS TS Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin 4 1 gYb gYb gYb Y=2 Cell (16,1) Cell (16,2) Cell (16,16) gXb gXb gXb Last token out TS TS TS Tkout Tkin Tkout Tkin Tkout Tkin 4 1 gYb gYb gYb Y=16 Schema di readout digitale (SDR) gXb=get_X_bus gYb=get_Y_bus TS=Time_Stamp Tkin=token_in Tkout=Token_out