High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors

Dieses Forschungsprojekt der Arbeitsgruppen aus Bochum, Heidelberg und Karlsruhe hat zum Ziel, gemeinsam monolithische Pixeldetektoren basierend auf HV-CMOS Sensoren für Teilchenphysikexperimente an Großbeschleunigeranlagen zu entwickeln. Ziel des gemeinsamen Vorhabens ist es, generische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für hochspannnungsbetriebene Monolithische Aktive Pixelsensoren (HV-MAPS) durchzuführen, die ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Pixeldetektoren darstellen.

Ziel dieses Forschungsverbundes ist es, die Entwicklung von HV-MAPS fortzusetzen, indem zusätzliche Funktionalität ins Chip-Design integriert wird, die für die bisherigen Ex­perimente nicht gebraucht wurde. Durch das kompakte Design sind HV-MAPS eine ernst­zu­nehmende Alternative zu anderen Halbleiterdetektoren. Allerdings ist es für eine zukünftige Verwendung von HV-MAPS z.B. bei LHC Upgrades, Future Circular Collider Experimente, PANDA, CLIC/ILC, Belle II oder Mu3e Phase II, unbedingt notwendig, zusätzliche Funktio­na­lität in das Design zu integrieren. So wird bei manchen Experimenten eine hochaufgelöste Messung der Energiedeposition benötigt, um anhand der Messung Teilchenarten unter­scheiden zu können, des Weiteren sollten die Sensoren eine hohe Ratenverträglichkeit auf­weisen und durch eine sehr gute Zeitauflösung in der Lage sein, die einzelnen Treffer zu separieren, es werden z.T. großflächige Sensoren benötigt oder eine bessere Ortsauflö­sung. Die Umsetzung dieser Anforderungen in ein Sensordesign ist Ziel des Forschungsver­bundes in der kommenden Förderperiode.

Die bisherigen HV-MAPS-Prototypen stellen hauptsächlich die Trefferinformation zur Verfü­gung, welches Pixel zu welcher Zeit getroffen worden ist. Zusätzlich ist das Ergebnis der Ladungssammlung (gemessen als Time-over-Threshold) sehr variabel, denn durch die La­dungssammlung in der sehr schmalen Verarmungszone (~15 μm) erwartet man eine aus­ge­prägte Landau-Verteilung der beim Teilchendurchgang produzierten Ladung. Die star­ken Unterschiede bei der produzierten Lagung und damit bei der Signalhöhe beeinflus­sen zu­sätzlich die minimal erreichbare Zeitauflösung. Die bisher erreichte Zeitauflösung von ~10 ns reicht allerdings nicht aus, um die Teilchenart anhand ihrer Flugzeit zu bestimmen.

Um eine Identifikation von Teilchen mit HV-MAP-Sensoren zu ermöglichen, wie sie z.B. bei Belle II oder PANDA benötigt wird, müssen zwei Eigenschaften optimiert werden:

1. Energieauflösung der im Sensor deponierten Energie: Ziel ist einen dynamischen Bereich von 10 MIPs abzudecken mit einer Energieauflösung, die ausreicht, Teilchenarten anhand ihres Energieverlustes zu unterscheiden.
2. Zeitauflösung der im Sensor erzeugten Signale: In einem ersten Schritt wird die Korrek­tur des Timewalks eine Verbesserung bringen. Des Weiteren wird auch die Optimierung der Energieauflösung die Zeitauflösung verbessern. Ziel ist, eine Zeitauflösung von deutlich bes­ser als 5 ns zu erreichen.

In Experimenten der Hadronphysik ist es nicht prinzipiell üblich, Sensoren in Betrieb auf 0°C oder darunter zu kühlen. Aufgrund der zu erwartenden Rate und Strahlendosis über die Le­bensdauer des Experimentes, ist es durchaus üblich, die Sensoren auch bei Raumtempera­tur zu betreiben. Deshalb ist sehr wichtig zu klären, inwieweit sich ein Anstieg der Sensor­temperatur auf die Sensorperformance (z.B. Signal-zu-Rausch-Verhältnis, Energie- bzw. Zeitauflösung) auswirkt (Temperaturtoleranz).