First results of a Monolithic Active Pixel Sensor with Internal Signal Gain Fully Integrated in a 180 nm CMOS Technology

Questo articolo presenta i primi risultati del sensore CASSIA, un nuovo MAPS realizzato in tecnologia CMOS a 180 nm che integra strati di guadagno per ottenere amplificazione interna del segnale, permettendo un funzionamento in modalità proporzionale a basso guadagno (simile ai LGAD) o a singolo fotone (simile agli SPAD) per applicazioni di tracciamento e temporizzazione ad alta luminosità.

L'essenziale

🚀 CASSIA: Il "Super-Eroe" dei Sensori per la Fisica

Immagina di dover costruire una telecamera capace di vedere non solo dove passa una particella, ma anche esattamente quando lo fa, con una precisione così estrema da poter distinguere eventi che accadono in un miliardesimo di secondo. È una sfida enorme per gli scienziati che studiano l'universo (come quelli al CERN), perché le particelle viaggiano a velocità incredibili e si scontrano in modo caotico.

Il progetto CASSIA (CMOS Active SenSor with Internal Amplification) è nato per risolvere questo problema. Ecco come funziona, spiegato con delle metafore quotidiane.

1. Il Problema: Il "Fischio" nel Silenzio

Fino a poco tempo fa, i sensori usati per catturare le particelle erano come microfoni molto sensibili, ma deboli. Quando una particella colpiva il sensore, generava un segnale elettrico minuscolo (un "sussurro"). Per ascoltarlo, serviva un amplificatore esterno potente, che però aggiungeva "rumore" (come un fischio di fondo) e consumava molta energia. Inoltre, questi sensori erano spesso costruiti in due pezzi separati (il sensore e l'elettronica), come un microfono collegato a un cavo a una cassa: ingombrante e costoso.

2. La Soluzione CASSIA: Il "Microfono con Amplificatore Integrato"

Gli scienziati hanno creato un nuovo tipo di sensore chiamato CASSIA. Immagina di prendere un microfono e di integrare direttamente al suo interno un amplificatore super-potente.

• Monolitico: Tutto è costruito in un unico pezzo di silicio (come un chip di smartphone), rendendolo piccolo, economico e leggero.
• Guadagno Interno: Quando una particella colpisce il sensore, il segnale non viene solo "ascoltato", ma moltiplicato direttamente sul posto. È come se il microfono non solo registrasse il sussurro, ma lo trasformasse immediatamente in un urlo chiaro e forte, eliminando il rumore di fondo.

3. Come Funziona la "Magia" (Il Moltiplicatore di Neve)

Il segreto sta in uno strato speciale sotto l'eletrodo del sensore, chiamato strato di guadagno.
Immagina una collina di neve fresca.

• Senza guadagno: Se lanci una pallina (la particella), rotola giù e basta.
• Con CASSIA: Appena la pallina tocca la neve, ne stacca un'altra, che ne stacca un'altra ancora. In un istante, una singola pallina genera una valanga di neve.
  Questa "valanga" di cariche elettriche rende il segnale enorme e facile da leggere, anche se la particella originale era piccolissima.

4. Due Modalità di Guida: La "Città" e la "Corsa"

La cosa più geniale di CASSIA è che può cambiare "marcia" semplicemente cambiando la tensione elettrica (il voltaggio), proprio come un'auto può guidare in città o correre in pista.

• Modalità LGAD (Guida in Città - Bassa Velocità):
  Qui il sensore funziona come un rilevatore di particelle. La "valanga" è controllata e moderata (guadagno 10-100 volte). È perfetta per tracciare con precisione dove passa una particella, senza creare troppi falsi allarmi. È come guidare in città: sicuro, preciso e stabile.
• Modalità SPAD (Corsa in Pista - Alta Velocità):
  Qui si spinge l'acceleratore al massimo. La valanga diventa gigantesca (guadagno di migliaia di volte). Il sensore diventa un orologio super-preciso. Rileva il passaggio della particella in un tempo così breve che può distinguere eventi che accadono quasi contemporaneamente. È come una Ferrari in pista: velocissima, ma richiede più attenzione (e può essere più rumorosa).

5. I Risultati: Un Prototipo Promettente

Gli scienziati hanno costruito il primo prototipo (chiamato CASSIA1) usando una tecnologia di produzione standard (la stessa usata per le telecamere dei telefoni, ma ottimizzata).

• Cosa hanno scoperto? Hanno dimostrato che funziona! Possono scegliere se usare la modalità "Città" o "Pista" semplicemente girando una manopola (il voltaggio).
• Il Rumore: Hanno misurato il "rumore" di fondo (i falsi allarmi). È molto basso, il che è ottimo. Significa che il sensore è "pulito" e affidabile.
• Il Futuro: Questo è solo il primo passo. Il prossimo prototipo (CASSIA2) sarà ancora più raffinato, pronto per essere usato nei futuri esperimenti di fisica dove si studiano collisioni di particelle ad altissima energia.

In Sintesi

Il progetto CASSIA sta creando una nuova generazione di "occhi" per la fisica. Invece di usare sensori lenti e rumorosi, hanno creato un chip intelligente che amplifica il segnale al suo interno, rendendo possibile vedere l'universo con una precisione temporale mai raggiunta prima, tutto in un pacchetto piccolo, economico e potente. È come passare da una vecchia radio a stilo a un sistema audio digitale di ultima generazione: tutto più chiaro, più veloce e più preciso.

Sommario tecnico

Ecco una sintesi tecnica dettagliata del documento in italiano, strutturata secondo le sezioni richieste.

Titolo: Prime risultanze di un Sensore a Pixel Attivo Monolitico (MAPS) con Guadagno di Segnale Interno Integrato in Tecnologia CMOS 180 nm

1. Il Problema e il Contesto

Gli esperimenti di fisica delle alte energie (HEP) presso il Large Hadron Collider (LHC) ad alta luminosità e i futuri esperimenti FCC richiedono un aumento dell'uso delle informazioni temporali (timing) oltre alla semplice misura della posizione per i rivelatori a pixel. Questa informazione aggiuntiva è fondamentale per mitigare l'effetto del "pile-up" (sovrapposizione di eventi) ad alta luminosità e abilitare il tracciamento 4D.

Le sfide principali includono:

• Limiti dei sensori passivi: La maggior parte dei MAPS attuali utilizza sensori passivi (basati su diodi pin) dove il segnale di carica è amplificato solo dall'elettronica di lettura esterna. Questo limita il rapporto segnale-rumore (SNR) e la risoluzione temporale.
• Incompatibilità tecnologica: I diodi a valanga a basso guadagno (LGAD) e i fotodiodi a valanga a singolo fotone (SPAD) offrono un'amplificazione interna superiore, ma sono tipicamente realizzati con processi di fabbricazione specializzati e separati dall'elettronica di lettura, rendendo costosa e complessa l'integrazione in sistemi monolitici.
• Necessità di integrazione: È necessario sviluppare sensori che integrino l'amplificazione della carica direttamente nel pixel monolitico, mantenendo la compatibilità con processi CMOS standard per ridurre costi, ingombro e dissipazione di potenza.

2. Metodologia e Progettazione

Il progetto CASSIA (CMOS Active SenSor with Internal Amplification) mira a integrare strati di guadagno per la moltiplicazione della carica direttamente in un processo di imaging CMOS standard da 180 nm (TowerSemiconductor), già utilizzato per la famiglia di sensori MALTA.

• Architettura del Sensore:

  • Il sensore è realizzato su un substrato epitassiale di tipo p+ di 30 µm di spessore (o substrati Czochralski ad alta resistività).
  • La regione sensibile è uno strato epitassiale di tipo p depletato.
  • L'elettrodo di raccolta è un impianto n+ circolare al centro del pixel.
  • Sotto l'elettrodo n+ è stato implementato uno strato di guadagno (gain layer) di tipo p, creato utilizzando due diverse profondità di implantazione: DP (Deep P-well) e XDP (Extra Deep P-well).
  • Un impianto n-type a bassa dose è stato aggiunto su tutta la matrice per spostare la giunzione pn e garantire la deplezione del bulk.

• Varianti di Design (Prototipo CASSIA1):
  Sono stati progettati e testati diversi pixel con combinazioni variabili di:

  • Profondità dell'elettrodo n+ (standard, superficiale/shallow, profondo/deep).
  • Tipo di strato di guadagno (DP o XDP).
  • Diametro dello strato di guadagno (variato da 12 µm a 28 µm).
  • Spaziatura tra l'elettrodo n+ e il "deep p-well" dell'elettronica.

• Modalità di Funzionamento:
  Il sensore può operare in due modalità controllate dalla tensione di polarizzazione inversa:

  1. Modalità LGAD (Low Gain Avalanche Diode): Tensione sotto la rottura rigida, con guadagno moderato (tipicamente 10-100). Ideale per il tracciamento con basso rumore.
  2. Modalità SPAD (Single Photon Avalanche Diode): Tensione alla o sopra la rottura rigida, con guadagno estremamente alto (>4000). Offre la massima risoluzione temporale.

• Metodologia di Test:
  I sensori sono stati caratterizzati tramite:

  • Misure I-V (corrente-tensione) in condizioni di buio e sotto illuminazione continua.
  • Scansioni ottiche con laser (532 nm e 785 nm) per mappare la risposta spaziale e il guadagno.
  • Misure con laser impulsato (1060 nm) per analizzare la distribuzione dell'ampiezza del segnale e la risoluzione temporale.
  • Misure del tasso di conteggi al buio (Dark Count Rate - DCR) a diverse temperature (0°C - 30°C).
  • Simulazioni TCAD per modellare i campi elettrici e i profili di impatti ionizzanti.

3. Contributi Chiave

• Integrazione Monolitica: Dimostrazione che è possibile realizzare sensori con guadagno interno (LGAD/SPAD) utilizzando un processo CMOS di imaging commerciale standard (180 nm) senza modifiche ai parametri di processo o strati aggiuntivi complessi.
• Versatilità Operativa: Il primo prototipo (CASSIA1) dimostra che lo stesso pixel può operare sia in modalità LGAD che SPAD semplicemente variando la tensione di polarizzazione.
• Ottimizzazione del Design: Identificazione dell'impatto critico della profondità dello strato di guadagno e del diametro dell'elettrodo sul comportamento di rottura e sul DCR.
• Scalabilità: Il design è stato adattato per pixel pitch di 80 µm, compatibile con le esigenze di tracciamento ad alta densità.

4. Risultati Sperimentali

• Caratterizzazione Elettrica e Ottica:

  • I sensori mostrano un comportamento I-V coerente con le simulazioni TCAD.
  • Tensioni di Rottura: Variano in base al design. Ad esempio, i sensori con strato DP (M2) rompono a ~54 V, mentre quelli con strato XDP (M3) richiedono ~99 V.
  • Guadagno: È stato raggiunto un guadagno superiore a 5000 a 62 V per i sensori DP e oltre 4000 a 110 V per i sensori XDP.
  • Distribuzione del Guadagno: Le scansioni laser confermano una distribuzione uniforme del guadagno nella regione attiva. Un aumento del diametro dello strato di guadagno (es. da 10 µm a 28 µm) amplia la regione di guadagno uniforme, migliorando il fattore di riempimento effettivo.

• Risposta agli Impulsi e Ampiezza:

  • La transizione dalla modalità LGAD alla modalità SPAD è graduale e ben controllata.
  • L'ampiezza del segnale in modalità LGAD aumenta linearmente con la tensione di polarizzazione.
  • In modalità SPAD, si osservano impulsi saturati dall'amplificatore esterno, indicando un guadagno intrinseco molto elevato.

• Tasso di Conteggi al Buio (DCR):

  • I sensori mostrano un DCR molto basso, dell'ordine di 0,01 Hz/µm² a temperatura ambiente in modalità LGAD.
  • I design con elettrodi n+ profondi o standard combinati con strati di guadagno XDP offrono i migliori risultati DCR.
  • I design con elettrodi n+ superficiali (shallow) mostrano un DCR significativamente più alto (fino a 30 Hz/µm²), suggerendo che la posizione della giunzione di moltiplicazione è cruciale per minimizzare il rumore superficiale.
  • Il DCR aumenta esponenzialmente con la temperatura, come atteso per la generazione termica di portatori.

• Confronto con Simulazioni:
  Le simulazioni TCAD hanno previsto correttamente l'andamento delle curve I-V e le tensioni di rottura, confermando che il breakdown avviene nella regione attiva e non ai bordi del pixel, grazie alla corretta spaziatura tra elettrodo e well elettronico.

5. Significato e Prospettive Future

Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale verso l'adozione di sensori monolitici con guadagno interno per la fisica delle alte energie.

• Impatto Scientifico: La capacità di ottenere un'alta risoluzione temporale (<100 ps target) e un alto SNR in pixel piccoli e a basso consumo rende questa tecnologia ideale per i futuri rivelatori di tracciamento 4D e per la mitigazione del pile-up.
• Robustezza e Costi: L'uso di un processo CMOS standard riduce i costi di produzione e semplifica l'integrazione rispetto alle tecnologie ibride o specializzate.
• Sviluppi Futuri: Il progetto CASSIA2 è in fase di produzione e includerà elettronica di lettura ottimizzata all'interno del pixel per le modalità LGAD e SPAD. Sono in corso studi sulla resistenza alle radiazioni (NIEL) e sull'ottimizzazione del fattore di riempimento per raggiungere un'efficienza di rilevamento vicina al 100%.

In sintesi, il progetto CASSIA ha dimostrato con successo che è possibile integrare funzionalità di moltiplicazione della carica avanzate (LGAD/SPAD) in un processo di imaging CMOS commerciale, aprendo la strada a una nuova generazione di rivelatori compatti, economici e ad alte prestazioni per l'astrofisica e la fisica nucleare.