Conception et caractérisation de capteurs CMOS pour détecteur pixel en physique des particules

Design and characterization in depleted CMOS technology for particle physics pixel detector

• Auteur / Autrice : Siddharth Bhat
• Direction : Marlon Barbero, Alexandre Rozanov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules et Astroparticules
• Date : Soutenance le 03/09/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Malte Backhaus, Pierre Barillon, Patrick Pangaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Petra Riedler, Jérôme Baudot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Expérience ATLAS

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

.

Particle tracking detectors

Radiation-Hard electronics

Depleted CMOS sensor

Serial Powering

Shunt-LDO regulator

Charge Pump

Single Event Upsets.

Résumé

L’expérience ATLAS commencera à fonctionner avec l’accélérateur LHC à hauteluminosité (HL-LHC) en 2026 pour augmenter la probabilité de nouvelles découvertes. La technologie du détecteur de pixels monolithiques en ''depleted'' CMOS a été une des options envisagées pour la couche externe du détecteur pixel d’ATLAS mis a niveau et est une technologie à fort potentiel pour les futurs détecteurs a pixels. Dans cette thèse, plusieurs prototypes ont été développés utilisant différentes technologies CMOS appauvries, par exemple, LFoundry (LF) 150 nm, TowerJazz (TJ) à 180 nm et Austriamicrosystems AG (AMS) à 180 nm. Dans un environnement à haute énergie, tel que HL-LHC, les événements uniques (SEU), qui deviennent un sujet de préoccupation pour le bon fonctionnement des circuits. Plusieurs puces de test dans les technologies AMS, TowerJazz et LFoundry avec différentes structures tolérantes au SEU ont été prototypées et testées. Un schéma d’alimentation alternatif appelé schéma d’alimentation série est prévu pour le futur détecteur Inner Tracker (ITk) de l’expérience ATLAS. Pour répondre aux exigences de l’expérience ATLAS concernant l’environnement d’une couche pixélisée dans un environnement de collisionneur à rayonnement élevé, de nouveaux développements avec des capteurs ''depleted'' CMOS ont été développés dans le régulateur Shunt-LDO et la polarisation de capteur conçus dans la technologie d’imagerie CMOS TowerJazz 0,18 um modifiée. Dans le processus TowerJazz modifié, deux niveaux de tension différents sont utilisés pour l'épuisement du capteur. Polarisation les tensions sont générées à l'aide d'un circuit de pompe à charge négative.

The ATLAS experiment will start operating at the High Luminosity LHC accelerator (HL-LHC) in 2026 to increase the probability of new discoveries. Depleted CMOS monolithic pixel detector technology has been one of the options considered for the outer layer of an upgraded ATLAS pixel detector and is a high potential technology for future pixel detectors. In this thesis, several prototypes have been developed using different depleted CMOS technologies, for instance, LFoundry (LF) 150 nm, TowerJazz (TJ) 180 nm and austriamicrosystems AG (AMS) 180 nm. In a high-energy environment like HL-LHC, Single Event Upsets (SEU), which become of concern for reliable circuit operation. Several test-chips in AMS, TowerJazz and LFoundry technologies with different SEU tolerant structures have been prototyped and tested. The SEU tolerant structures were designed with appropriate electronics simulations using Computer Aided Design (CAD) tools in order to study the sensitivity of injected charge to upset a memory state. An alternative powering scheme named Serial Powering scheme is foreseen for the future Inner Tracker (ITk) detector of the ATLAS experiment. To meet the requirements ofthe ATLAS experiment to the environment of a pixelated layer in a high radiation collider environment, new developments with depleted CMOS sensors have been made in Shunt-LDO regulator and sensor biasing which are designed in modified TowerJazz 180 nm CMOS imaging technology. In the TowerJazz modified process, two different voltage levels are used for the purpose of sensor depletion. The bias voltages are generated by using a negative charge pump circuit.