Development and Characterization of a Readout Chip with Integrated Sensor for a High-Energy Physics Application

par Roua Boudagga (CPPM, Aix Marseille Université, CNRS/IN2P3, Marseille, France)

lundi 15 déc. 2025, 14:30 → 17:30 Europe/Paris

Amphithéâtre (CPPM)

Composition du jury :

Justine SERRANO,  CPPM, CNRS, Marseille	Présidente
Petra RIEDLER, Département de Physique Expérimentale, CERN, Suisse	Rapporteure
Olivier ROSSETTO, LPSC, Université Grenoble Alpes	Rapporteur
Auguste BESSON, IPHC, Université de Strasbourg	Examinateur
Michael KARAGOUNIS, IC Design Laboratory, Dortmund	Examinateur
Marlon BARBERO, CPPM, Aix-Marseille Université	Directeur de thèse
Patrick PANGAUD, CPPM, CNRS, Marseille	Membre invité

 

Résumé :

L’expérience Belle II, opérant auprès du collisionneur SuperKEKB au Japon, a pour objectif de réaliser des mesures de très haute précision en physique des saveurs afin d’étudier les désintégrations rares et la violation de CP, dans la perspective d’explorer la physique au-delà du Modèle Standard. L’accélérateur fonctionne à une énergie au centre de masse de 10,58 GeV et a atteint en 2024 une luminosité instantanée record de 5,1 × 10³⁴ cm^-2  s^-1, avec pour objectif d’atteindre 6 × 10³⁵ cm^-2  s^-1 dans les années à venir. Pour garantir un fonctionnement fiable dans un environnement caractérisé par un fort flux de particules et un niveau élevé de rayonnement, une mise à niveau du détecteur de vertex est prévue à l’horizon 2032.

Le futur détecteur, nommé VTX, reposera sur la technologie des Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS). Ces capteurs monolithiques combinent la diode de détection et l’électronique de lecture sur un même substrat de silicium à haute résistivité, permettant une collecte rapide des charges, une bonne tolérance au rayonnement et un budget en matériau réduit.

Le capteur OBELIX (Optimized BELle II piXel sensor) constitue un prototype DMAPS développé pour répondre aux exigences de performance et de compacité du VTX. Basé sur le circuit TJ-Monopix2, fabriqué en technologie CMOS TowerJazz 180 nm, OBELIX introduit une nouvelle périphérie digitale, une architecture d’alimentation optimisée et un système de régulation de tension intégré.

Cette thèse présente la conception, la simulation et l’optimisation de circuits clés du capteur OBELIX, notamment le front-end analogique du pixel. Le circuit intègre également quatre régulateurs de tension Low-Dropout (LDO) dédiés aux blocs analogiques et numériques. Deux d’entre eux ont été développés et étudiés dans ce travail : un prérégulateur distribuant les tensions de polarisation et de référence et un régulateur VPC (Voltage Pre-Charge) assurant la stabilité du reset des lignes de lecture. Des tests en laboratoire et en faisceau du circuit TJ-Monopix2 ont permis d’évaluer l’uniformité du seuil, l’efficacité de détection et la dépendance en température, fournissant des éléments essentiels pour la validation et l’optimisation d’OBELIX en vue de son intégration finale dans le détecteur VTX de Belle II.

 

 

Abstract :

The Belle II experiment at the SuperKEKB collider in Japan aims to perform precision measurements in flavour physics, focusing on rare decays and CP-violation studies to explore potential physics beyond the Standard Model. The accelerator operates at a center-of-mass energy of 10.58 GeV and achieved a world-record instantaneous luminosity of 5.1 × 10³⁴ cm^-2  s^-1in 2024, with a target of 6 × 10³⁵cm^-2  s^-1 in the coming years. To ensure reliable operation under such intense particle flux and radiation conditions, an upgrade of the Vertex Detector is foreseen for 2032.

The new detector, called the VTX, will be based on Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS), which integrate both the sensing diode and the readout electronics within a single high-resistivity silicon substrate. This monolithic approach enables fast charge collection, excellent radiation tolerance, and a very low material budget, while simplifying the electrical and mechanical integration of large-area modules.

The Optimized BELle II piXel sensor (OBELIX) is a DMAPS prototype developed to meet the demanding performance and system constraints of the Belle II VTX. Derived from the TJ-Monopix2 chip fabricated in the TowerJazz 180 nm CMOS imaging process, OBELIX features a newly designed digital periphery, an improved power-distribution architecture, and advanced on-chip voltage regulation.

This thesis presents the design, simulation, and optimization of critical OBELIX circuits, including the analog pixel front-end. OBELIX integrates four Low-Dropout Regulators (LDOs) supplying its analog and digital domains. Two of these regulators are designed and discussed in this work: a Preregulator distributing bias and reference voltages, and a Voltage Pre-Charge (VPC) LDO stabilizing the bit-line reset during readout. Laboratory and beam-test characterization of TJ-Monopix2 threshold uniformity, detection efficiency, and temperature dependence provide essential feedback for validating and optimizing OBELIX toward full integration in the Belle II VTX.

 

Lien Zoom :
https://univ-amu-fr.zoom.us/j/99856688833?pwd=EpPKHoHMk8wndaHqKbkYNPBOeES1z1.1