🔬 physics

First results of a Monolithic Active Pixel Sensor with Internal Signal Gain Fully Integrated in a 180 nm CMOS Technology

تقدم هذه الورقة النتائج الأولى لمستشعر CASSIA، وهو مستشعر بكسل نشط متجانس مبتكر تم تصنيعه بتقنية CMOS بقدر 180 نانومتر، والذي يستخدم طبقات كسب داخلية متكاملة بالكامل لتحقيق تضخيم الإشارة، مما يتيح التشغيل في كل من أوضاع التناسب منخفض الكسب وأوضاع الانهيار أحادي الفوتون عالي الكسب لتحسين دقة التوقيت وتخفيف حدة التراكم في تجارب فيزياء الجسيمات عالية السطوع.

المؤلفون الأصليون: Heinz Pernegger (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Emma Kate Anderson (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Paula Bartulović (University of Zagreb, F

نُشر 2026-03-09

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Heinz Pernegger (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Emma Kate Anderson (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Paula Bartulović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Ivan Berdalović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Marc Giroux de Foiard Brown (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Sebastian Haberl (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland, University of Innsbruck, Innsbruck, Austria), Matija Jugović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Anastasia Kotsokechagia (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Jenny Lunde (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland, University of Oslo, Oslo, Norway), Borna Požar (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Tomislav Suligoj (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia)

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى همسة واحدة في ملعب مليء بآلاف المشجعين الصارخين. هذا هو التحدي الذي يواجهه العلماء عند محاولة تتبع الجسيمات الصغيرة سريعة الحركة في تجارب فيزياء الطاقات العالية مثل تلك التي تُجرى في سيرن (CERN). هذه "الهمسات" هي الإشارات الكهربائية الضئيلة الناتجة عندما يصطدم جسيم بمستشعر، و"المشجعون الصارخون" هم الضجيج الخلفي الهائل والحجم الهائل من الجسيمات التي تصطدم ببعضها البعض (ما يسمى بـ "التراكم" أو pile-up).

تقدم هذه الورقة نوعًا جديدًا من المستشعرات يسمى CASSIA (مستشعر CMOS نشط مع تضخيم داخلي). فكر في CASSIA ليس فقط كميكروفون، بل كميكروفون يحتوي على مضخم مدمج فائق الكفاءة داخل غشاء الاهتزاز نفسه.

إليك تفصيل لما قاموا به ولماذا يهم ذلك، باستخدام تشبيهات من الحياة اليومية:

١. المشكلة: معضلة "الإشارة الضعيفة"

المستشعرات التقليدية تشبه الميكروفونات القياسية؛ فعندما يصطدم بها جسيم، فإنها تنتج إشارة ضئيلة وضعيفة. ولتتمكن من سماعها، تحتاج إلى مضخم خارجي كبير (شريحة منفصلة) لرفع مستوى الصوت.

المشكلة: إضافة ذلك المضخم الخارجي يستغرق مساحة، ويستهلك المزيد من الطاقة، ويضيف "ضجيجًا" (تشويشًا). في بيئة مصادم الجسيمات المزدحمة وعالية الإشعاع، يجعل هذا الأمر من الصعب التمييز بين الإشارة الحقيقية والضجيج.

٢. الحل: "المعزز الداخلي"

قام فريق CASSIA ببناء مستشعر يحدث فيه التضخيم داخل البكسل نفسه، قبل أن تغادر الإشارة المستشعر.

التشبيه: تخيل سباق تتابع. في الطريقة القديمة، يقوم العداء (إشارة الجسيم) بتسليم العصا إلى مدرب (الشريحة الخارجية) الذي يصرخ بالرسالة إلى الحشد. في طريقة CASSIA، يحمل العداء مكبر صوت مثبت على صدره؛ فهو يصرخ بالرسالة أثناء الركض، لتكون عالية وواضحة على الفور.
التقنية: لقد حققوا ذلك عن طريق إضافة "طبقة كسب" خاصة (نوع معين من المصائد الكهربائية) مباشرة تحت نقطة تجميع المستشعر. عندما يصطدم جسيم ما، فإنه ينتج عددًا قليلًا من الإلكترونات. وبينما تحاول هذه الإلكترونات الهروب، يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي لتصطدم بذرات أخرى، مما يخلق تفاعلًا متسلسلًا (انهيارًا جارفًا أو avalanche) يضاعف الإشارة آلاف المرات.

٣. وضعان: "مفتاح خفت الضوء" و"القنبلة الضوئية"

الجزء الأروع في هذا المستشعر هو أنه يمكنه القيام بوظيفتين مختلفتين بمجرد تدوير مقبض الجهد (جهد الانحياز).

الوضع أ: LGAD (ثنائي الانهيار منخفض الكسب) – "مفتاح خفت الضوء"
- كيف يعمل: ترفع الجهد بما يكفي فقط للحصول على تعزيز لطيف (تضخيم من ١٠ إلى ١٠٠ مرة).
- حالة الاستخدام: هذا رائع لعمليات التتبع. الأمر يشبه رفع مستوى الصوت في محادثة لتسمع كل كلمة بوضوح دون تشويهها. فهو يساعد العلماء على رؤية المسار الذي سلكه الجسيم بدقة.
الوضع ب: SPAD (ثنائي الانهيار أحادي الفوتون) – "القنبلة الضوئية"
- كيف يعمل: ترفع الجهد بشكل أعلى بكما، متجاوزًا نقطة معينة. الآن، يدخل المستشعر في حالة الإفراط في العمل. حتى إلكترون واحد يحفز انفجارًا هائلًا في الإشارة.
- حالة الاستخدام: هذا رائع لعمليات التوقيت. الأمر يشبه وميض الكاميرا الذي ينطلق في اللحظة التي يُصدر فيها صوت ما. إنه يسمح للعلماء بقياس متى وصل الجسيم بدقة مذهلة (بالبيكوسانية)، وهو أمر بالغ الأهمية لفرز "التراكم" الناتج عن الجسيمات.

٤. تصميم "السكين السويسري"

عادةً، للحصول على مستشعر يؤدي مهام التوقيت جيدًا، تحتاج إلى عملية تصنيع خاصة ومكلفة. وللحصول على مستشعر يؤدي مهام التتبع جيدًا، تحتاج إلى عملية مختلفة.

الابتكار: تم بناء CASSIA باستخدام تقنية شرائح الكاميرا القياسية واسعة الانتشار (180 نانومتر CMOS) — وهي نفس التقنية المستخدمة في هاتفك الذكي أو كاميرا رقمية.
الحيلة: لم يغيروا وصفة المصنع. بدلاً من ذلك، قاموا فقط بتعديل "المكونات" (عمق وحجم الطبقات الكهربائية) داخل الشريحة القياسية. وهذا يعني أنه يمكنهم صنع هذه المستشعرات الفائقة بتكلفة منخفضة وبكميات ضخمة، تمامًا مثل مستشعرات الكاميرا العادية.

٥. النتائج: "الهمسة أصبحت زئيرًا"

اختبر الفريق نموذجهم الأولي الأول (CASSIA1) ووجدوا ما يلي:

إنه يعمل: نجحوا في إنشاء التفاعل المتسلسل الداخلي.
إنه قابل للضبط: من خلال تغيير حجم "طبقة الكسب" الداخلية (مثل تغيير حجم مكبر الصوت)، استطاعوا التحكم في مقدار تعزيز الإشارة.
إنه هادئ: حتى مع الكسب العالي، لم يولد المستشعر الكثير من "الضجيج" (الضجيج المظلم)، وهو أمر بالغ الأهمية لرؤية الإشارات الخافتة.
إنه سريع: ترتفع الإشارة بسرعة كبيرة، مما يعني أن المستشعر يمكنه الاستجابة فورًا تقريبًا.

لماذا يجب أن تهتم؟

هذه التكنولوجيا هي نقطة تحول لمستقبل فيزياء الجسيمات.

من أجل العلم: تتيح التجارب في مصادم الهيدرونات الكبير عالي السطوع (HL-LHC) (ومصادمات المستقبل) رؤية ما وراء الفوضى الناتجة عن ملايين الاصطدامات، واقتناص الجسيمات النادرة والمثيرة للاهتمام التي قد تكشف عن قوانين جديدة للكون.
من أجلك: نظرًا لأن هذا يستخدم تقنيات تصنيع شرائح الكاميرا القياسية، فإن التقنيات المتعلمة هنا يمكن أن تؤدي في النهاية إلى مستشعرات أفضل وأسرع وأكثر حساسية في التصوير الطبي (مثل الأشعة السينية الأفضل) أو حتى في كاميرا هاتفك، مما يسمح لها بالرؤية في الظلام أو التقاط الحركة دون ضبابية.

باختة القول: أخذ فريق CASSIA شريحة كاميرا قياسية، ومنحوها مكبر صوت مدمج، وأثبتوا أنها تستطيع سماع أخفت همسات الكون بينما تركض في ماراثون. إنها طريقة أرخص وأسرع وأذكى للاستماع إلى اللبنات الأساسية للواقع.

1. بيان المشكلة

تتطلب تجارب فيزياء الطاقات العالية (HEP) في مصادم الهادرونات الكبير عالي اللمعان (HL-LHC) والمرافق المستقبلية (FCC) كواشف بكسل توفر ليس فقط الدقة المكانية، بل أيضاً معلومات زمنية دقيقة للتخفيف من آثار التراكم (pile-up). تواجه الحلول المتطورة الحالية مقايضة:

مستشعرات البكسل النشطة أحادية التكوين (MAPS): توفر ميزانية مادية منخفضة وتكلفة أقل، ولكنها تعتمد عادةً على جمع الشحنات السلبي، مما يؤدي إلى سعة إشارة أقل ودقة زمنية أضعف مقارنة بالمستشعرات الهجينة.
ثنائيات التدرج المنخفض (LGADs) وثنائيات الانهيار أحادية الفوتون (SPADs): توفر تضخيماً داخلياً للإشارة ودقة زمنية ممتازة، ولكن يتم تصنيعها تقليدياً كرقائق منفصلة باستخدام عمليات متخصصة (ركائز عالية المقاومة، هياكل زرع محددة) غير متوافقة مع إلكترونيات القراءة القياسية بتقنية CMOS. وهذا يستلزم عملية ربط (bump-bonding) مكلفة ويزيد من الميزانية المادية.

التحدي يكمن في دمج مضاعفة الشحنة الداخلية (الكسب) مباشرة في عملية تصوير CMOS قياسية وعالية الحجم لإنشاء مستشعر أحادي التكوين يجمع بين مزايا MAPS (الاندماج، انخفاض استهلاك الطاقة) وأداء LGADs/SPADs (إشارة عالية، توقيت فائق السرعة).

2. المنهجية

قام المؤلفون بتطوير مستشعر CASSIA (المستشعر النشط بـ CMOS مع التضخيم الداخلي)، وهو نموذج أولي لمستشعر MAPS مبتكر مدمج بالكامل في عملية تصوير TowerSemiconductor بقدرة 180 نانومتر (المستخدمة أصلاً في عائلة مستشعرات MALTA).

استراتيجية التصميم: يستخدم المستشعر طبقة شيفت (epitaxial) من النوع p مستنفدة (بسمك 30 ميكرومتر) على ركيزة من النوع p+. ويتم تحقيق التضخيم الداخلي عن طريق زرع طبقة كسب (gain layer) من النوع p تحت قطب الجمع n+ المركزي.
أنماط التشغيل: من خلال ضبط جهد الانحياز العكسي، يعمل المستشعر في نمطين:
- نمط LGAD: تحت مرحلة الانهيار الصلب (hard breakdown)، مما يوفر كسباً متوسطاً (10–100) للتتبع منخفض الضجيج.
- نمط SPAD: عند أو فوق مرحلة الانهيار، مما يوفر كسباً ذاتياً عالياً لحساسية الفوتون الواحد والتوقيت فائق السرعة.
تنوع النماذج الأولية (CASSIA1): تحتوي شريحة النموذج الأولي على 24 بكسلاً منفرداً وأربع مصفوفات مكونة من 3×3 بكسلات بتصاميم متغيرة لتحسين الأداء:
- عمق طبقة الكسب: بئر عميق من النوع p (DP) مقابل بئر عميق جداً من النوع p (XDP).
- قطر طبقة الكسب: يتراوح من 12 ميكرومتر إلى 28 ميكرومتر.
- عمق القطب: زرعات n+ قياسية، ضحلة، وعميقة.
- التباعد: المسافة المتغيرة بين قطب n+ والـ deep p-well الإلكتروني المحيط.
التوصيف: تم اختبار المستشعرات باستخدام:
- محاكاة TCAD: لنمذجة المجالات الكهربائية، جهود الانهيار، ومناطق مضاعفة الانهيار.
- قياسات التيار المستمر (DC): منحنيات التيار والجهد ( $I-V$ ) في ظروف الظلام والإضاءة.
- المسح الضوئي: حزم ليزر مركزة (532 نانومتر و785 نانومتر) لرسم خريطة الكسب المعتمد على الموقع والمنطقة النشطة.
- اختبارات الليزر النبضي: ليزر 1060 نانومتر (10–100 كيلو هرتز) لقياس توزيعات سعة الإشارة والتوقيت.
- معدل العد المظلم (DCR): قياسات عند درجات حرارة تتراوح من 0 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية لتقييم أداء الضجيج.

3. المساهمات الرئيسية

تكامل العملية: إثبات أنه يمكن تحقيق مضاعفة الشحنة الداخلية في عملية تصوير CMOS قياسية بقدرة 180 نانومتر دون تعديل بارامترات العملية أو إضافة طبقات غريبة. تستخدم طبقات الكسب زرعات الـ deep p-well والـ extra deep p-well الموجودة بالفعل.
التشغيل ثنائي النمط: إظهار نجاح تصميم بكسل واحد في العمل كـ LGAD (للتتبع) وSPAD (للتوقيت) ببساطة عن طريق تغيير جهد الانحياز.
تحسين التصميم: التحقيق المنهجي في تأثير عمق طبقة الكسب، قطرها، وهندسة القطب على جهد الانهيار، وتجانس الكسب، والضجيج.
القابلية للتوسع: إثبات إمكانية تحقيق مضاعفة الانهيار لمساحات كبيرة في بكسلات أحادية التكوين، وتجاوز قيود نهج LGAD الهجين السابق.

4. النتائج الرئيسية

الانهيار والكسب:
- أظهرت المستشعرات جهود انتقال متميزة: $V_{LGAD}$ (بداية التضخيم) و $V_{BR}$ (الانهيار الصلب).
- ضبط الجهد: تباينت جهود الانهيار بشكل كبير بناءً على التصميم. على سبيل المثال، انهار M2 (طبقة كسب DP) عند ~54 فولت، بينما انهار M3 (طبقة كسب XDP) عند ~99 فولت.
- مقدار الكسب: تجاوز الكسب 5,000 في نمط SPAD. وفي نمط LGAD، تم تحقيق كسب يتراوح بين 10–100 عبر نطاق جهد قدره ~12 فولت.
- تأثير عمق الطبقة: أدت طبقات الكسب الأكثر عمقاً (XDP) إلى جهود انهيار أعلى وقمم مجال كهربائي أقل مقارنة بالطبقات الأقل عمقاً (DP).
التجانس وعامل الملء:
- أكدت اختبارات الانبعاث الضوئي وجود مضاعفة انهيار موحدة عبر المنطقة النشطة، مع عدم وجود انهيار مبكر عند الحواف.
  તેમને المسح الليزري المعتمد على الموقع أظهر أن منطقة الكسب تمتد إلى ما وراء زرع طبقة الكسب الفيزيائية. على سبيل المثال، وفرت طبقة كسب بنصف قطر 10 ميكرومتر كسباً ملحوظاً حتى 15–20 ميكرومتر، مما زاد فعلياً من عامل الملء "النشط" للبكسل.
- أدى زيادة قطر طبقة الكسب (مثلاً من 12 ميكرومتر إلى 28 ميكرومتر) إلى خفض جهد بدء التضخيم وتوسيع منطقة الكسب الموحدة.
معدل العد المظلم (DCR):
- تم تحقيق أدنى معدل DCR ( $\approx 0.01$ هرتز/ميكرومتر $^2$ عند درجة حرارة الغرفة) باستخدام طبقات كسب XDP مع أقطاب n+ قياسية أو عميقة.
- أدت أقطاب n+ الضحلة مع طبقات XDP إلى معدل DCR أعلى بكما (يصل إلى 30 هرتز/ميكرومتر $^2$ )، ويُعزى ذلك إلى عيوب السطح/الواجهة.
- أظهر DCR اعتماداً أسياً على درجة الحرارة، وهو ما يتوافق مع الناقلات المتولدة حرارياً.
خصائص الإشارة:
- كانت توزيعات سعة النبضة غاوسية (Gaussian) في نمط LGAD.
- لوحظ انتقال سلس من نمط LGAD إلى نمط SPAD، مع وجود أنواع مشتركة من الإشارات في منطقة الانتقال.
- تحسنت نسبة الإشارة إلى الضجيج بشكل كبير بسبب التضخيم الداخلي، مما سمح باستخدام إلكترونيات أمامية أبسط.

5. الأهمية

يمثل مشروع CASSIA خطوة كبيرة للأمام في تطوير كواشف التتبع رباعية الأبعاد (المكان والزمن ثلاثي الأبعاد) لفيزياء الطاقات العالية.

الأداء: يوفر مساراً للوصول إلى دقة زمنية أقل من 100 بيكو ثانية (الهدف المستهدف) مع كفاءة كشف عالية، وهو أمر ضروري لتجارب المصادمات المستقبلية.
التكلفة والتعقيد: من خلال دمج الكسب مباشرة في CMOS القياسي، فإنه يلغي الحاجة إلى التجميع الهجين والركائز المتخصصة المكلفة، مما قد يقلل التكاليف والميزانية المادية.
مقاومة الإشعاع: يشير استخدام عملية 180 نانومتر قياسية (التي أثبتت كفاءتها من خلال عائلة مستشعرات MALTA) إلى مقاومة إشعاعية متأصلة، رغم أن الدراسات المستقبلية (CASSIA2) ستعمل خصيصاً على تحسين تطعيم طبقة الكسب لتحمل فقدان الطاقة غير المؤين (NIEL).
تعدد الاستخدامات: تسمح القدرة على التبديل بين أنماط LGAD وSPAD بتحسين نفس تقنية المستشعر لتطبيقات مختلفة، من التتبع عالي المعدل (LGAD) إلى الكشف عن الأشعة السينية أو الفيزياء الفلكية منخفضة الإضاءة (SPAD).

في الختام، تؤكد الورقة جدوى المستشعرات أحادية التكوين ذات الكسب الداخلي في تقنية CMOS القياسية، مما يوفر أساساً قوياً للجيل القادم من كواشف التتبع والزمن لفيزياء الجسيمات.