First evaluation of the tracking performance of the ARCADIA Fully Depleted MAPS with 120 GeV proton beam

Technische Samenvatting: Eerste evaluatie van de tracking-prestaties van de ARCADIA Fully Depleted MAPS met een 120 GeV protonenbundel

Probleem en Context
Monolithische Actieve Pixel Sensoren (MAPS) worden breed toegepast in de vertex- en tracking-detectoren van de deeltjesfysica (High Energy Physics, HEP) vanwege hun lage materiaalbudget en kosteneffectiviteit vergeleken met hybride pixelsensoren. Hoewel het ALICE-experiment (met gebruik van ALPIDE-chips) een belangrijke implementatie vormt, vereisen huidige en toekomstige generaties HEP-experimenten steeds strengere prestaties. Een cruciale technologische vooruitgang die aan deze behoeften voldoet, is de Fully Depleted MAPS (FD-MAPS), die hoge bias-spanningen gebruikt om het actieve volume volledig te depleteren. Deze aanpak verschuift de ladingsverzameling van een door diffusie gedomineerd naar een door drift gedomineerd mechanisme, wat resulteert in een snellere en efficiëntere signaalverzameling. Dit werk richt zich op de noodzaak om het nieuwste prototype in dit domein te karakteriseren: de ARCADIA Main Demonstrator 3 (MD3).

Methodologie
De studie presenteert een teststraal-karakterisering van de ARCADIA MD3-chip, een 200 µm dikke FD-MAPS vervaardigd met een aangepast LFoundry 110 nm CIS-proces op een hoog-resistieve substraat. De chip beschikt over een 512 × 512 pixelmatrix met een pitch van 25 µm, onderverdeeld in 16 onafhankelijke secties.

De experimentele metingen werden uitgevoerd bij de Fermilab Test Beam Facility (FTBF) met een 120 GeV protonenbundel. De opstelling bestond uit een telescoop van drie identieke ARCADIA MD3-vlakken: een Device Under Test (DUT) gepositioneerd in het midden, geflankeerd door twee externe tracking-vlakken (Plane 0 op -33,8 mm en Plane 2 op +29,4 mm). Omdat de opstelling geen hardwarematige trigger had, werd synchronisatie bereikt via een softwarecommando dat de FPGA-timestampcounters van alle drie de chips gelijktijdig resette.

De data-analyse werd uitgevoerd met het Corryvreckan-framework. De procedure omvatte:

1. Alignment: Een pre-alignment met Plane 0 als referentie, gevolgd door een nauwkeurige alignment gebaseerd op gereconstrueerde tracks om translationele en rotationele misalignments te corrigeren.
2. Track Reconstruction: Tracks werden gereconstrueerd op de externe vlakken door clusterparen binnen een tijdvenster van 5 µs met elkaar te associëren. Alleen events met een enkel cluster per vlak werden behouden om ambiguïteiten te vermijden.
3. Parameter Scans: De prestaties van de DUT werden geëvalueerd door specifieke parameters te variëren:
   • Threshold (Drempelwaarde): Gescand in het bereik [38, 62] DAC (overeenkomend met effectieve drempelwaarden tot ~2300 elektronen).
   • Front-end Bias Currents: Scannen van de discriminatorstroom ($I_D$) en de feedback branch biasstroom ($I_{FB}$).
   • Depletion Voltage (Depletiespanning): Scannen van de backside biasspanning in het bereik [-70, -96] V.
4. Metrics (Meetwaarden): De studie mat clustergrootte (multipliciteit), clusterbreedte, residual width (ruimtelijke resolutie), detectie-efficiëntie en fake hit rates.

Belangrijkste Resultaten

• Detectie-efficiëntie: De ARCADIA MD3 demonstreerde een detectie-efficiëntie van meer dan 99% over het gehele gescande bereik van drempelwaarden en backside bias-spanningen. De efficiëntie bleek onafhankelijk van de drempelwaarde-instelling, wat consistent is met het feit dat de ingestelde drempelwaarden aanzienlijk lager waren dan het signaal gegenereerd door een Minimum Ionizing Particle (MIP) in 200 µm silicium (~16.000 elektronen).
• Ruimtelijke Resolutie: Vanwege de 200 µm dikte van het substraat is ladingdeling tussen naburige pixels wijdverbreid. Bijgevolg zijn clusters groter dan 1 pixel dominant, zelfs bij hoge drempelwaarden. Deze ladingdeling resulteert in een residuale distributiebreedte die consequent lager is dan de binaire resolutie van 7,2 µm.
  • De minimale residual width werd gemeten op 4,65 µm (bij een drempelwaarde van 56 DAC).
  • Door de bijdrage van de telescoop te ontkoppelen van de intrinsieke sensorresolutie via een geometrische berekening, werd de intrinsieke ruimtelijke resolutie van de ARCADIA MD3 bepaald op 3,8 µm bij een drempelwaarde van 58 DAC.
• Parameterafhankelijkheden:
  • Threshold: Lagere drempelwaarden verhoogden de clusterbreedte en multipliciteit, maar hadden geen significante impact op de efficiëntie.
  • Bias Currents: Variaties in $I_D$ en $I_{FB}$ vertoonden minimale effecten op de cluster- en residual widths (variaties van 2-20% afhankelijk van de parameter), waarbij de efficiëntie stabiel bleef boven de 99%.
  • Depletion Voltage: Prestatie-metrieken (residual width en efficiëntie) vertoonden geen significante afhankelijkheid van de backside biasspanning binnen het geteste bereik. De resultaten wijzen erop dat het substraat volledig gedepleteerd is bij -70 V, waarbij geen verdere prestatiewinst werd waargenomen tot -96 V.
• Noise (Ruis): De fake hit rate bleef onder $4 \times 10^{-6}$ hit/pixel/s voor bijna het gehele drempelwaarde-bereik, met een opvallende toename alleen bij de laagste drempelwaarde-instelling.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt dat de ARCADIA MD3 succesvol voldoet aan de vereisten voor high-performance tracking in HEP-toepassingen. De primaire bijdrage van dit werk is de experimentele validatie van de tracking-capaciteiten van de MD3-prototype, waarbij het volgende wordt aangetoond:

1. Hoge detectie-efficiëntie (>99%) in een 120 GeV protonenbundel-omgeving.
2. Sub-pixel ruimtelijke resolutie (3,8 µm) bereikt door effectief beheer van ladingdeling in een fully depleted architectuur.
3. Robuustheid van prestaties bij variaties in drempelwaarde en biasstromen.
4. Bevestiging dat volledige depletie wordt bereikt bij -70 V voor het 200 µm substraat, wat de operationele baseline voor het apparaat vaststelt.

De auteurs concluderen dat de ARCADIA MD3 een levensvatbare kandidaat is voor toekomstige HEP vertex- en tracking-detectoren, waarbij de voordelen van fully depleted technologie worden benut om snelle ladingsverzameling en hoge ruimtelijke precisie te bereiken.