Neuartige Detektoren für wissenschaftliche- und medizinische Anwendungen

Die Forschung wird weitergeführt von Prof. Dr. Ivan Perić am Karlsruher Institut für Technologie

ehemaliger Sprecher: Privatdozent Dr. Ivan Perić

3D Layout eines monolithischen Pixels erzeugt mit Gds2Pov.

Die Entwicklung neuartiger Detektorsysteme für den Nachweis von Licht und hochenergetischen Teilchen ist unser Forschungsthema. Solche Detektoren mit ihren Auslese-ASICs entwickeln wir für die wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen: Hochenergiephysik, Synchrotron-Experimente, Astrophysik, Medizinische Bildgebung, Elektronenmikroskopie und Biologie.

Die Entwicklung intelligenter Sensoren in kommerziellen CMOS Technologien zählt zu den wichtigsten Tätigkeiten unserer Gruppe. Die modernen CMOS Prozesse eignen sich nicht nur für den Bau leistungsstarker Prozessoren; die Hochleistungs-Sensoren können ebenfalls in diesen Technologien implementiert werden.
Im Gebiet CMOS Sensoren haben wir zwei Erfindungen: die Hochspannungs-Pixeldetektoren ("Smart Diode Array" - SDA), und die hybriden Detektoren, basierend auf kapazitiver Chip zu Chip Signalübertragung ("Capacitively Coupled Pixel Detector" - CCPD). Diese Pixeldetektoren sind für den Einsatz in der Teilchenphysik und der Elektronenmikroskopie geeignet.
Die Entwicklung der Technologien wurde in der ersten Phase von der Baden-Württemberg Stiftung finanziert.
Die Detektoren sind inzwischen die Hauptoption für den Einsatz im geplanten Mu3e Experiment am PSI. Dieses Projekt wird zurzeit von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Heidelberg finanziert. Das Projekt soll in Kollaboration zwischen der Universität Heidelberg (Gruppe Prof. André Schöning und unsere Gruppe), PSI und anderen Universitäten verwirklicht werden.
Dank ihrer hohen Strahlentoleranz gilt SDA Technologie auch am CERN als eine vielversprechende Alternative zu Standardoptionen für die ATLAS Upgrade oder CLIC. Eine Kollaboration mit Instituten in Bonn, Berkeley, CERN und Marseille wurde bereits aufgebaut.

Wir sind auch an der Entwicklung von Detektoren in speziellen Technologien beteiligt. Ein Beispiel sind die DEPFET Sensoren. DEPFET ist eine neuartige Detektortechnologie bei der die erste Verstärkerstufe direkt in ein, vollständig verarmtes, Siliziumsubstrat integriert wird. DEPFET Sensoren werden im Halbleiterlabor des Max-Planck Instituts in München hergestellt.
Zur Ansteuerung der DEPFET Detektoren werden zwei Arten von ASICs benutzt - die Signalauslesechips und zur Detektorzeilensteuerung die Hochspannungschips (SWITCHERs).
Seit 2009 hat die DEPFET Technologie ihre erste Anwendung im Bereich Teilchenphysik - den Vertexdetektor für Belle II (KEK, Japan). Der zweilagige Detektor soll aus etwa 20 Detektormodulen bestehen. Das Vorhaben wird als Verbundprojekt von mehr als 12 Instituten realisiert. Wir sind für die Entwicklung der Auslese- und SWITCHER-Chips zuständig. Das Projekt wurde von BMBF gefördert.

Der Kern unserer Tätigkeit ist der Chipentwurf. Der Chipentwurf ist allerdings nur der Ausgangspunkt für die Detektor-Produktion, welche die folgenden Arbeitsschritte umfasst:

Chipdesign - Erarbeitung des Konzeptes, Schaltplan/VHDL-Code Entwurf, Verifikation, Layout Design/Generierung. Wir verwenden den Softwarepaket Cadence.
Chip-Packaging (Draht-Bonden)
Elektromechanisches Detektordesign (Flip-Chip, Bump-Bonden, Mechanik, usw.)
Entwurf der Testsysteme - die meisten Systeme basieren auf den FPGA/USB Boards (entworfen am Lehrstuhl SUS) und an der selbstgeschriebenen Software.
Leiterplattenentwurf im Altium-Designer
Firmware - Programmierung für XILINX FPGAs
Testsoftware Entwicklung in C++/C# (Visual Studio, Linux/Windows QT)
Detektorcharakterisierung - elektrische Tests, Experimente an den Teilchenbeschleunigern, usw.

Projekte

Smart Diode Array - eine neue CMOS Detektorstruktur

Diese neuartigen monolithischen Detektoren werden in kommerziellen Chiptechnologien implementiert. Die Elektronik wird in die Sensorelemente - Dioden - eingebettet. Somit erfolgen die ersten Schritte der Signalbearbeitung bereits im Sensorelement. Wegen ihrer Struktur - Elektronik innerhalb einer Diode, nennen wir die Detektoren auch "Smart Diode Array" - SDA.

Anwendungen: Teilchenphysik (ATLAS und CLIC am CERN, CBM und PANDA am FAIR, Mu3e am PSI), Transmissionselektronenmikroskopie

Hybride Pixeldetektoren basiert auf kapazitiver Signalübertragung

Pixelhybriddetektoren zählen zu den fortschrittlichsten Detektoren für den Nachweis von hochenergetischen Teilchen. Sie bestehen aus einem Pixelsensor und einem segmentierten CMOS-Auslesechip, welche mittels aufwendigen Techniken - z.B. "Bump-Bonden" - verbunden werden. Wir verfolgen die Idee eine kontaktlose kapazitive Signalübertragung in einem hybriden Pixeldetektor zu benutzen, um auf diese Weise die Verbindungstechnologie zu vereinfachen.

Anwendungen: Teilchenphysik, medizinische Röntgenbildgebung, Forschung an Synchrotrons

Pixelauslesechips

Zu unseren Forschungsthemen gehört auch der Entwurf der Pixelauslesechips. Ein Beispiel wäre der Chip für Röntgenbilgebung CIC1. Der Chip zeichnet sich durch einen sehr hohen analogen Dynamikbereich von 118dB, hohe Zählrate und relativ kleine Pixelgröße. Der Chip ist in der Lage Teilchen zu zählen und ihre Ladung zu bestimmen.

Anwendungen: medizinische Röntgenbildgebung, Biologie, Forschung an Synchrotrons

Rauscharme Sensoren

Entwicklung der rauscharmen Sensoren in modernen CMOS Technologien ist, unter anderem, für den Fluoreszenzlichtnachweis in der Biologie von großer Bedeutung. Die Miniaturisierung der CMOS- Bauteile wird die Entwicklung der rauscharmen Sensoren begünstigen.

Anwendungen: Fluoreszenzlichtnachweis in der Biologie - Zelluntersuchung, Gen-Forschung

SOI Technologie

Wir sind auch an der Entwicklung von Detektoren in Silicon-on-Insulator-Technologie beteiligt. Diese hochinteressante Technologie wird vom japanischen Chiphersteller LAPIS Semiconductor, dem Forschungszentrum KEK und anderen Forschungsinstituten entwickelt. Sie ermöglicht die Implementierung von CMOS-Schaltungen auf einem voll verarmten Sensorsubstrat. Die Kombination vom hohen Dynamikbereich, schneller Bildrate und tiefer Verarmungszone macht diese kostengünstige Sensortechnologie interessant für die FEL Anwendungen, insbesondere am europäischen XFEL wo eine schnelle Ausleserate erforderlich ist.

Anwendungen: XFEL

Auslese-ASICs für DEPFET

DEPFET ist eine hochinteressante Detektortechnologie, bei der die erste Verstärkerstufe direkt in ein vollständig verarmtes Siliziumsubstrat integriert wird. Dank der einzigartigen Halbleiterdotierung und des Aufbaus des Verstärkertransistors erreicht man exzellente Detektoreigenschaften, unter anderem ein Rauschen von 0,2 Elektronen. Zur Auslese der DEPFET-Detektoren werden verschiedene ASICs benutzt, die wir entwerfen.

Anwendungen: Astrophysik, Biologie, Teilchenphysik

Kollaborationen

DEPFET Pixeldetektor für Belle II
Mu3e
HVCMOS

Drittmittel

"Monolithischer Detektor in Hochspannungstechnologie": 35 T EUR
(Baden-Württemberg Stiftung)

"Auslesechips und Bumping für den DEPFET Vertexdetektor bei SUPERBELLE": 290 T EUR
(BMBF)

"Strahlenharter Monolithischer Pixelsensor": 50 T EUR
("Enable Fund" der Fakultät für Physik und Astronomie)

"Auslesechips für den DEPFET Vertexdetektor bei Belle II" (zweite Förderperiode): 635 T EUR
(BMBF)

Entwurf eines CCPD Detektors für ATLAS: 12 T EUR
(CERN)

Entwurf eines SOI Detektors: 12 T EUR
(KEK)

Forschungsgruppe "Neuartige Detektoren für medizinische und wissenschaftliche Anwendungen": 10 T EUR
(ZITI)

Jetzige und ehemalige Mitarbeiter

Ivan Peric
(Sprecher, Chipdesign, Testsysteme, FPGA- und Softwareentwicklung, Experimente)

Tim Armbruster
(ADCs für CBM and DEPFET: Chipdesign und Tests, Testsysteme - Current-Mode ADCs)

Christian Kreidl
(Elektromechanisches Detektordesign, Chipdesign und Tests, Testsysteme)

Hong Hanh Nguyen
(SDA and DEPFET: Chipdesign, Entwurf der Testsysteme, FPGA- und Software-Entwicklung)

Zhaoxia Zhang
(SDA: Entwurf des Testsystems in C#, Software-Entwicklung)

Sven Schatral
(SDA: Entwurf eines Testsystems, FPGA- und Software-Entwicklung)

Lukas Raffelt
(DEPFET: Entwurf eines Testsystems für automatische Serientests an ASICs)

Jochen Knopf
(DEPFET: Chipdesign, Testsysteme, Experimente, FPGA- und Software-Entwicklung)

Felix Mandl
(SOI: Testsystem, Experimente, FPGA- und Software-Entwicklung)

Christian Takacs
(SDA: Experiment am Teilchenbeschleuniger, Testsystem)