Characterization of CMOS SPADs for future RICH Detectors

Dit artikel presenteert experimentele karakteriseringsresultaten van CMOS-SPADs in 55 nm en 110 nm technologieën, die zijn ontwikkeld voor toekomstige RICH-detectors en getest zijn op donkerstroom bij hoge neutronenbestraling en vloeibare stikstemperatuur.

De kern

Deel 1: Het Probleem – Een Camera in een Stralingstorm

Stel je voor dat je een superkrachtige camera wilt bouwen voor deeltjesversnellers zoals de LHC of Belle II. Deze camera's, die we RICH-detectoren noemen, moeten heel kleine lichtflitsen zien die ontstaan wanneer deeltjes met elkaar botsen. Het probleem is dat deze omgeving extreem gevaarlijk is voor elektronica: het is er een ware "stralingstorm" vol neutronen (kleine, onzichtbare deeltjes die alles kapot kunnen maken).

Normale camera's zouden hier binnen no-time blind worden door ruis. Het is alsof je probeert een kaarsvlam te zien in het midden van een vuurwerkshow die ook nog eens een storm van hagelstenen (de neutronen) over je heen gooit. De hagelstenen beschadigen de sensor, waardoor hij begint te "brullen" van ruis in plaats van rustig het licht te zien.

Deel 2: De Oplossing – Een Digitale "Super-Deeltjesjager"

De onderzoekers van het spadRICH-project hebben een nieuw soort camera-sensor ontwikkeld: een CMOS SPAD.

• Wat is dat? Stel je voor dat een gewone camera één grote lens heeft. Een SPAD is als een muur van miljoenen minuscule, ultra-gevoelige "muggennetjes". Elk netje kan één enkel foton (een deeltje licht) oppikken.
• Het doel: Ze willen deze netjes zo sterk maken dat ze de straling kunnen overleven, maar ze moeten ook heel snel zijn en heel stil werken.

Deel 3: De Experimenten – Testen in de Vriezer en de Straling

De onderzoekers hebben deze nieuwe sensoren getest op twee manieren:

1. De Stralingstest: Ze hebben de sensoren blootgesteld aan een enorme hoeveelheid neutronen (zoals een zware hagelstorm).
   • Het resultaat: Bij kamertemperatuur werden de sensoren na de "storm" compleet gek. Ze begonnen vanzelf te piepen (dit noemen ze Dark Count Rate of DCR). Het was alsof je radio opeens alleen maar ruis afspeelt.
2. De Vriezerstest: Vervolgens hebben ze de sensoren in een vriezer gegooid, tot aan het punt waar stikstof vloeibaar wordt (ongeveer -160°C).
   • Het resultaat: Wauw! Door ze zo koud te maken, werden ze weer bijna stil. De "hagelstenen" die de sensoren hadden geraakt, werden door de kou "stilgezet". Het was alsof je de ruisende radio in een geluidsdichte, koude kelder zet; plotseling hoor je weer de muziek.

Deel 4: De Verwarmingstest – Een Bad voor de Sensor

Ze hebben ook gekeken of ze de schade konden "repareren" door de sensoren even heet te maken (een soort warmtebad of annealing).

• Het resultaat: Dit hielp een beetje, maar niet zo goed als de vriezer. Het was alsof je een beschadigde auto probeert te repareren door hem in de zon te zetten; het ziet er misschien iets mooier uit, maar de motor loopt nog steeds niet perfect.

Deel 5: De Conclusie – Kou is de Superkracht

De belangrijkste les uit dit onderzoek is: Kou is je beste vriend in een stralingsomgeving.

Hoewel de neutronen de sensoren fysiek beschadigen, zorgt de extreme kou ervoor dat deze beschadigingen tijdelijk "in slaap vallen". Dit betekent dat de toekomstige RICH-detectoren in de deeltjesversnellers waarschijnlijk niet alleen nieuwe, stralingsbestendige chips nodig hebben, maar dat ze ook in een superkoude vriezer moeten werken om hun taak goed te kunnen uitvoeren.

Samengevat in één zin:
Om de lichtflitsen van deeltjesbotsingen te zien in een omgeving vol straling, bouwen de onderzoekers super-gevoelige sensoren die we 's nachts in een vriezer moeten zetten, zodat ze niet gek worden van de straling.

Technische samenvatting

Titel: Karakterisering van CMOS SPADs voor toekomstige RICH-detectoren

Auteur: R. Dolenec et al. (SpadRICH-project)

---

1. Het Probleem

De geplande upgrades van Ring Imaging Cherenkov (RICH)-detectoren in experimenten zoals LHCb, ALICE en Belle II vereisen fotodetectoren met extreem hoge prestaties om te kunnen functioneren bij een verhoogde dichtheid van bundelinteracties.

• Eisen: De detectoren moeten hoge granulariteit, gevoeligheid voor enkele fotonen en uitstekende timing bieden.
• Stralingsomgeving: Ze moeten bestand zijn tegen een achtergrondstraling van ongeveer $10^{13}$ 1-MeV-neutronen-equivalenten per cm² gedurende de totale looptijd van het experiment.
• Uitdaging: Zelfs de veelbelovende Silicium-Photomultipliers (SiPMs) zijn gevoelig voor neutronenstraling. Op de verwachte stralingsniveaus zouden SiPMs dicht bij de temperatuur van vloeibare stikstof (cryogene temperatuur) moeten worden bediend om hun prestaties tot het einde van het experiment te behouden.

2. Methodologie

Het spadRICH-project ontwikkelt een digitale SiPM gebaseerd op CMOS Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), geoptimaliseerd voor deze specifieke eisen. In dit werk worden bestaande SPAD-sample's gekarakteriseerd om het effect van straling en cryogene bediening te bestuderen.

• Testobjecten:
  • Individuele SPADs ontworpen in 55 nm BCD-technologie en 110 nm CMOS-beeldsensor-technologie.
  • Verschillende junction-ontwerpen en diameters (van 5 µm tot 12 µm).
  • Een 144×32 SPAD-arrays (110 nm CIS-technologie) met een actieve diameter van 5 µm en een pitch van 50 µm.
• Experimentele Opstelling:
  • Temperatuur: Metingen uitgevoerd bij kamertemperatuur (RT) en bij vloeibare stikstemperatuur (LN, ca. -160 °C).
  • Bestraling: Blootstelling aan neutronen tot een dosis van $10^{12}$ neq/cm².
  • Meetregimes: Dark Count Rate (DCR) gemeten in twee modi: hoge snelheid (>100 cps, met scaler) en lage snelheid (<100 cps, met aangepaste TDC).
  • Array-metingen: Voor de array werden binaire frames verzameld bij 32 kHz in passieve quenching-modus om DCR-kaarten te genereren. Chip 2 onderging daarnaast een thermische annealing (herstel) bij temperaturen van 100°C tot 160°C.

3. Belangrijkste Resultaten

A. Individuele SPADs (Fig. 1):

• Invloed van straling: Bij kamertemperatuur nam de DCR met ongeveer 4 ordes van grootte toe na bestraling met $10^{12}$ neq/cm².
• Invloed van temperatuur: Koeling tot -160 °C herstelde het grootste deel van de DCR-prestaties, behalve bij enkele SPADs die blijkbaar buitengewoon zwaar beschadigd waren.
• Technologievergelijking: SPADs in 55 nm BCD-technologie presteerden iets beter tegen straling dan die in 110 nm CMOS, rekening houdend met hun diameter.
• Grootte-effect: Er is een duidelijke correlatie tussen het actieve oppervlak en de gevoeligheid voor stralingsschade; grotere SPADs zijn gevoeliger voor neutronenschade.

B. SPAD-Arrays (Fig. 2):

• Dosis-effect: Na bestraling met $10^{11}$ en $10^{12}$ neq/cm² werd een toename in DCR waargenomen (respectievelijk een factor 10 en 1500 ten opzichte van de pre-irradiatie waarden bij bepaalde bias-spanningen).
• Annealing: Na thermische annealing van Chip 2 nam de DCR met een factor 3 af, wat aangeeft dat een deel van de stralingschade reversibel is door warmtebehandeling.
• Verdeling: De verdelingscurven tonen dat hoewel de mediane DCR stijgt, er een brede spreiding is in de schade per pixel.

4. Bijdragen en Significantie

• Validatie van Cryogene Bediening: Het paper bevestigt dat het koelen van CMOS-SPADs tot vloeibare stikstemperatuur een effectieve strategie is om de schadelijke effecten van neutronenstraling op de Dark Count Rate te mitigeren.
• Ontwerprichtlijnen voor Stralingshardheid: De resultaten bieden cruciale data voor het ontwerp van toekomstige stralingsharde digitale SiPMs. Ze tonen aan dat het kiezen van de juiste technologie (bijv. 55 nm BCD) en het minimaliseren van het actieve volume (via microlensarrays) essentieel is.
• Toekomstige RICH-detectoren: De bevindingen ondersteunen de haalbaarheid van het gebruik van CMOS-gebaseerde SPADs in de volgende generatie RICH-detectoren voor de LHC-upgrades, mits deze worden bediend bij cryogene temperaturen.

Conclusie

Hoewel neutronenstraling CMOS-SPADs ernstig kan beschadigen (tot wel 10 kcps/µm²), kan deze schade grotendeels worden gemitigeerd door bediening bij cryogene temperaturen. De combinatie van stralingsharde ontwerptechnieken, geïntegreerde elektronica voor schade-mitigatie en cryogene bediening vormt de basis voor de ontwikkeling van de benodigde fotodetectoren voor de toekomstige hoge-energie fysica-experimenten.