MiniCACTUS-V2: A DMAPS Prototype for Timing in High Energy Physics Experiments

Abstract

El Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC), situat al CERN, preveu una actualització cap a la fase d’Alta Lluminostitat (HL-LHC) l’any 2030, amb l’objectiu d’augmentar la lluminositat en un factor de 5 a 7. Aquest increment comportarà un nombre molt més gran de col·lisions per encreuament de feixos, fet que suposa nous reptes per a la reconstrucció de trajectòries de partícules. Per adaptar-se a aquest entorn, el detector ATLAS renovarà el seu sistema de seguiment intern (ID), que serà reemplaçat per l’ITk, un sistema basat completament en sensors de silici.

Tanmateix, la resolució espacial de l’ITk no és suficient per resoldre totes les trajectòries en la regió més propera al feix, on la densitat de partícules és molt elevada. Per mitigar l’efecte de “pile-up”, ATLAS ha proposat un detector de temporització addicional: l’High Granularity Timing Detector (HGTD), que proporcionarà informació temporal amb resolució de 30 a 50 ps. Aquest sistema híbrid, basat en sensors LGAD, és eficaç però complex de fabricar i integrar.

Com a alternativa més econòmica i integrada, els sensors DMAPS (Depleted Monolithic Active Pixel Sensors) combinen el sensor i l’electrònica en un sol xip, permetent una recollida de càrrega per deriva, amb avantatges en resolució temporal, cost i tolerància a la radiació. Per explorar aquesta opció, es van desenvolupar els prototips CACTUS i MiniCACTUS. MiniCACTUS, amb lectura columnar, va aconseguir una resolució de 65 ps, però amb un temps de lectura superior als 60 ns, massa lent per als requisits d’ATLAS (25 ns).

El nou prototip, MiniCACTUS-V2, es va dissenyar per mantenir una resolució temporal de desenes de picosegons amb un temps de lectura inferior a 25 ns. Aquest treball descriu el disseny teòric i experimental del circuit.

Primer, es proposa una metodologia analítica basada en senyals d’entrada triangulars, més realista que les aproximacions habituals. Mitjançant un model de segon ordre i transformades de Laplace, s’obtenen respostes transitories que s’ajusten a les simulacions en Matlab. Això permet identificar paràmetres clau per al disseny de preamplificadors ràpids.

Segon, s’ha reduït el temps de lectura mitjançant l’optimització dels transistors amb una base de dades del Process Design Kit (PDK) i scripts en Matlab. Així, s’ha aconseguit un temps de lectura inferior a 25 ns.

Tercer, per reduir el soroll i el consum energètic, s’ha implementat un preamplificador amb estructura cascode i “gain-boosting”, amb una guany de 70 dB. El transistor d’entrada treballa en règim d’inversió feble per maximitzar la transconductància amb consum reduït. L’ENC total és inferior a 250 electrons i el consum del front-end és de només 1.65 mW.

Els xips es van fabricar amb gruixos de 150, 175 i 200 μm i metal·lització posterior. Les proves mostren una alta resistència al voltatge (superior a 380 V) i rendiment temporal excel·lent. Amb lectura CSA2, s’obtenen 63 ps a 300 V; amb VPA, 80 ps.

En resum, MiniCACTUS-V2 demostra la viabilitat dels DMAPS com a sensors de lectura ràpida i alta resolució temporal per a futures aplicacions en física d’altes energies, oferint una possible alternativa monolítica al HGTD d’ATLAS.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), situado en el CERN, se actualizará hacia su fase de Alta Luminosidad (HL-LHC) en 2030, con un aumento significativo de la luminosidad que incrementará el número de colisiones por cruce de haces. Para adaptarse a este entorno más exigente, el detector ATLAS renovará completamente su Sistema de Seguimiento Interno (ID), reemplazándolo por un nuevo sistema basado exclusivamente en sensores de silicio (ITk).

A pesar de que el ITk está diseñado para soportar condiciones extremas de radiación y altas tasas de eventos, su resolución espacial no basta para resolver todas las trayectorias en regiones con alta densidad de partículas. Para mitigar el efecto de “pile-up”, ATLAS incorporará un nuevo detector temporal, el High Granularity Timing Detector (HGTD), que proporcionará información temporal con resolución de 30–50 ps. Este detector híbrido basado en sensores LGAD presenta limitaciones en costos y complejidad de integración.

Una alternativa más integrada y económica la ofrecen los Sensores Activos de Píxel Monolíticos (MAPS), y en particular su versión completamente agotada (DMAPS), que combina sensor y electrónica en un mismo chip, mejora la recogida de carga mediante deriva y ofrece buena resolución temporal y tolerancia a la radiación. Por ello, se considera una tecnología prometedora para futuros detectores de física de altas energías.

En este contexto, se desarrollaron los prototipos CACTUS y MiniCACTUS. CACTUS presentó problemas de acoplamiento entre la electrónica y el sustrato que afectaron negativamente la resolución temporal. MiniCACTUS corrigió esta limitación desplazando la electrónica fuera del área del píxel, logrando una resolución de 65 ps a 500 V. Sin embargo, su tiempo de lectura excedía los 60 ns, muy por encima del objetivo de 25 ns del HL-LHC.

El nuevo prototipo MiniCACTUS-V2 tiene como objetivo alcanzar una resolución temporal de decenas de picosegundos con un tiempo de lectura inferior a 25 ns. Este trabajo presenta su diseño, análisis y resultados experimentales.

Primero, se introduce un modelo analítico basado en entradas triangulares para representar de forma más realista la señal recogida en sensores DMAPS, y se estudia su respuesta con un modelo de segunda orden en pequeña señal. Esta metodología, validada con simulaciones en Matlab, permite reducir los parámetros clave y guiar el diseño rápido de circuitos de lectura.

Segundo, para reducir el tiempo de lectura, se aplicó una estrategia de optimización de transistores mediante búsqueda en bases de datos del Process Design Kit (PDK), automatizada con scripts en Matlab. Esto permitió cumplir el objetivo de lectura en menos de 25 ns.

Tercero, se diseñó un preamplificador de bajo ruido y consumo mediante una estructura en cascode con técnica de gain-boosting. Se logró una ganancia de 70 dB en una etapa, y se empleó polarización en inversión débil para maximizar la transconductancia con baja corriente. El consumo del front-end es de 1.65 mW, y el ENC es menor a 250 electrones.

Los chips fabricados fueron adelgazados a distintos grosores (150, 175 y 200 μm), y caracterizados en laboratorio y con haces de partículas. Se alcanzó una tensión de ruptura superior a 380 V. Dos arquitecturas de lectura fueron integradas: CSA2 y VPA, ambas con tiempos de lectura inferiores a 25 ns. Las pruebas mostraron que, a 300 V, CSA2 alcanzó una resolución temporal de 63 ps, y VPA de 80 ps.

En resumen, el diseño y validación de MiniCACTUS-V2 demuestran la viabilidad de los DMAPS para aplicaciones de temporización en física de altas energías, abriendo la posibilidad de su uso en futuras versiones del HGTD de ATLAS.

The Large Hadron Collider (LHC), located at CERN, is currently undergoing preparations for its High-Luminosity upgrade (HL-LHC), expected around 2030. This upgrade aims to increase the peak luminosity by a factor of 5 to 7, significantly raising the number of proton-proton collisions per bunch crossing. To cope with this challenging environment, the ATLAS detector will undergo major upgrades, including the replacement of its current Inner Detector (ID) with a fully silicon-based Inner Tracker (ITk).

While ITk is optimized for the harsh radiation and high hit rates of HL-LHC, it lacks sufficient spatial resolution to resolve all tracks near the beamline, where particle density is extreme. To mitigate the effects of pile-up, ATLAS proposes an additional detector providing precise timing information: the High Granularity Timing Detector (HGTD). Installed between the beam pipe and the calorimeter, the HGTD will add timing measurements with a resolution of 30–50 ps. It is a hybrid pixel system based on LGAD sensors. While LGADs offer excellent timing resolution (~30 ps), their production is complex and requires costly techniques such as bump-bonding to connect to readout electronics.

As a monolithic alternative, Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) integrate both sensor and electronics in a single silicon die, offering reduced sensor capacitance, simplified assembly, and lower cost. With CMOS technology advancements and high-resistivity substrates, DMAPS can collect charge by drift, which improves timing resolution and radiation tolerance. Thus, DMAPS are considered promising for future detector upgrades in high-energy physics (HEP).

To explore DMAPS for timing applications in HEP, prototype chips called CACTUS and MiniCACTUS were developed in the context of ATLAS R&D. These prototypes use DMAPS with millimeter-scale pixels, similar to the 1.3 mm pitch of the HGTD. The first prototype, CACTUS, showed degraded timing resolution due to coupling between the readout electronics and the sensor substrate. This issue was resolved in the second prototype, MiniCACTUS, by placing readout circuitry outside the pixel area and using a column-based architecture. MiniCACTUS achieved ~65 ps timing resolution at 500 V but had a readout time exceeding 60 ns—too slow for ATLAS’s 25 ns requirement.

The goal of MiniCACTUS-V2 is to meet both high timing resolution and fast readout (<25 ns). This work presents the theoretical circuit design, chip layout, and lab and beam test results of MiniCACTUS-V2.

First, a new analytical framework is proposed to account for the non-ideal nature of DMAPS signals, which have finite duration due to charge collection times. Instead of assuming delta-like input signals, the analysis uses triangular current pulses. A simplified second-order small-signal model is used to derive the transient response via Laplace transform. Results are validated against Matlab simulations and simplified to identify key design parameters for fast preamplifiers.

Second, transistor parameters are optimized using a foundry PDK database and custom Matlab scripts, reducing readout time to below 25 ns.

Third, to minimize noise from sensor capacitance in the pF range, a cascode preamplifier with gain-boosting is implemented, achieving 70 dB open-loop gain. The input transistor operates in weak inversion, maximizing transconductance for low power consumption. The analog front-end consumes 1.65 mW and achieves an equivalent noise charge (ENC) below 250 e⁻.

The chips were thinned (150–200 µm), back-metalized, and tested. Breakdown voltages exceed 380 V. Two readout circuits were implemented: CSA2 and VPA. At 300 V, CSA2 achieves 63 ps resolution, and VPA achieves 80 ps, both with readout times below 25 ns.

In conclusion, MiniCACTUS-V2 demonstrates that DMAPS technology can offer fast and precise timing for future HEP experiments and is a potential alternative to hybrid sensors in upgrades like the HGTD.