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The RD50-MPW4: A Radiation Hard HV CMOS Sensor for Future Colliders

El prototipo de sensor CMOS de alto voltaje (HV) de 150 nm, el RD50-MPW4, desarrollado por la colaboración CERN RD50, demuestra una excepcional dureza frente a la radiación con más del 99% de eficiencia tras la irradiación a $1 \times 10^{15}$ 1 MeV n $_{\mathrm{eq}}/\mathrm{cm}^2$ , junto con altas resoluciones espaciales (16 $\mu$ m) y temporales (10 ns), lo que lo convierte en un candidato prometedor para futuros detectores de colisionadores.

Autores originales: Jory Sonneveld, Thomas Bergauer, Raimon Casanova, Harald Handerkas, Christian Irmler, Jorge Jiménez-Sánchez, Uwe Krämer, Ricardo Marco-Hernandez, José Mazorra de Cose, Fernando Muñoz-Chavero, Rogelio

Publicado 2026-07-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Jory Sonneveld, Thomas Bergauer, Raimon Casanova, Harald Handerkas, Christian Irmler, Jorge Jiménez-Sánchez, Uwe Krämer, Ricardo Marco-Hernandez, José Mazorra de Cose, Fernando Muñoz-Chavero, Rogelio Palomo, Bernhard Pilsl, Sebastian Portschy, Samuel Powell, Patrick Sieberer, Helmut Steininger, Eva Vilella, Benjamin Wade, Chenfan Zhang, Sinuo Zhang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el universo como un salón de baile gigante y caótico donde partículas invisibles bailan a velocidades cercanas a la de la luz. Para comprender la música del cosmos, los científicos necesitan construir cámaras que puedan tomar fotos de estos bailarines. Pero aquí está el problema: el salón de baile está lleno de "radiación", una especie de estática cósmica que normalmente fríe la electrónica delicada como un microondas sobrecalentando un teléfono inteligente. Durante décadas, los científicos han intentado construir un sensor de cámara que sea lo suficientemente resistente como para sobrevivir a esta tormenta de radiación y, al mismo tiempo, lo suficientemente nítido como para ver los detalles más diminutos. Buscan un sensor que sea delgado, rápido e increíblemente resistente, capaz de sobrevivir en el corazón de un colisionador de partículas donde el entorno es más duro que la superficie del sol. La clave de esta supervivencia es un tipo especial de chip llamado sensor "CMOS de alto voltaje". Piensa en esto como un traje de superhéroe: es un chip electrónico estándar, pero ha sido sobrecargado con alto voltaje para crear una "zona de agotamiento" profunda y protectora que barra los daños y mantenga la señal clara, incluso cuando la radiación está golpeando la puerta.

Este artículo presenta la versión más reciente de ese traje de superhilo, un sensor llamado RD50-MPW4. Construido por un equipo de científicos de toda Europa, este chip está diseñado para ser el rastreador definitivo para futuros colisionadores de partículas. El equipo creó un prototipo utilizando un proceso de fabricación de 150 nm, lo que resultó en una cuadrícula diminuta de 64 por 64 píxeles. Imagina un tablero de ajedrez microscópico donde cada casilla es un píxel del sensor, espaciados a solo 62 micrómetros entre sí (aproximadamente el ancho de un cabello humano). La gran innovación aquí es cómo lo alimentan: en lugar de una batería débil, aplican un voltaje masivo de más de 600 voltios. Esto es como subir la presión en una manguera de jardín de forma tan alta que puede atravesar una pared de lodo; en este caso, el "lodo" es el daño por radiación. Al empujar el voltaje a este nivel, el sensor puede mantenerse "agotado" (listo para trabajar) incluso después de ser bombardeado por una cantidad enorme de radiación, específicamente hasta una fluencia de 1×10¹⁵ 1 MeV neq/cm².

Los investigadores probaron estos chips en un laboratorio, primero con muestras frescas y luego con muestras que habían sido bombardeadas con radiación para simular años de uso en un colisionador. Los resultados fueron impresionantes. Los chips frescos funcionaron con más del 99.9% de eficiencia, lo que significa que captaron casi cada partícula que los golpeó, y pudieron localizar la posición de una partícula dentro de 16 micrómetros. Incluso después de ser irradiados a los niveles extremos mencionados anteriormente, los chips lograron captar más del 99% de las partículas. También midieron qué tan profunda era la "zona de agotamiento" dentro del chip utilizando una técnica láser especial llamada Absorción de Dos Fotones. Este láser actúa como una linterna súper precisa, permitiéndoles ver dentro del chip y mapear exactamente qué tan profundo llega el campo eléctrico. Encontraron que, con un voltaje de polarización de -90 V, la profundidad de agotamiento era de 226 µm, y pudieron ver claramente la electrónica en la parte superior y el borde de la región activa en la parte inferior.

Una de las características más ingeniosas del RD50-MPW4 es cómo maneja sus datos. En lugar de un enredo desordenado de cables, utiliza una lectura de "columna-drenaje", que es como una línea de ensamblaje de alta velocidad donde la información fluye por columnas y se clasifica eficientemente. Este diseño ayuda a evitar que las señales de diferentes píxeles se mezclen (un problema llamado "diafonía" o cross-talk). El equipo también descubrió que, al aplicar el alto voltaje desde la parte posterior del chip (polarización por la parte posterior), crearon un campo eléctrico más fuerte y uniforme, lo que hizo que el sensor fuera aún más resistente al daño por radiación. Aunque los chips mostraron algo de ruido al ser golpeados con los niveles más altos de radiación (5×10¹⁵ neq/cm²), funcionaron notablemente bien hasta 3×10¹⁵ neq/cm², manteniendo una baja tasa de "golpes falsos" (señales erróneas).

En resumen, el RD50-MPW4 es un paso exitoso hacia la creación de detectores de partículas que puedan sobrevivir en los entornos más duros de la física. Demuestra que, mediante el uso de alto voltaje y un diseño inteligente, podemos construir sensores que sean tanto diminutos como resistentes. Los autores sugieren que esta tecnología continuará evolucionando, con planes para utilizar diseños similares para proyectos futuros como el LHCb Mighty Tracker. Aunque el artículo no afirma haber resuelto todos los problemas en la detección de partículas, muestra que estos sensores de alto voltaje son un camino muy prometedor para observar los secretos más pequeños del universo, incluso cuando la vista está oscurecida por una tormenta de radiación.

Resumen Técnico: El sensor CMOS de alto voltaje RD50-MPW4

Problema y Contexto
Los futuros colisionadores de alta luminosidad requieren detectores de seguimiento de partículas y de vértices capaces de soportar entornos de radiación extremos, manteniendo al mismo tiempo una excelente resolución temporal y una alta granularidad. La colaboración CERN RD50 aborda esta necesidad mediante el desarrollo de dispositivos semiconductores resistentes a la radiación. Específicamente, el grupo de trabajo de CMOS de Alto Voltaje (HV) tiene como objetivo crear sensores de píxeles activos monolíticos con deplexión (DMAPS) que integren la electrónica directamente en el sustrato del sensor. Los prototipos anteriores (RD50-MPW1 a través de MPW3) utilizaron un proceso CMOS de 150 nm de LFoundry, con matrices de píxeles de 64x64 y lectura LVDS. Sin embargo, para mejorar aún más la tolerancia a la radiación, el límite de tensión de ruptura debía elevarse significativamente, lo que requería esquemas de polarización avanzados y estructuras de anillo de guarda.

Metodología y Diseño
El artículo presenta el RD50-MPW4, un prototipo de sensor producido por LFoundry en diciembre de 2023 utilizando un proceso CMOS de 150 nm. El diseño incorpora varios avances arquitectónicos clave:

Estructura del Sensor: El sensor utiliza un pozo profundo tipo n (DNWELL) en un sustrato tipo p con electrónica de lectura integrada. Un pozo profundo tipo p (PSUB) protege el electrodo de recolección, permitiendo que la electrónica CMOS resida dentro del píxel. Dos de las tres variantes del sensor fueron procesadas por la parte posterior para permitir la polarización por la parte posterior, lo cual es conocido por crear un campo eléctrico más fuerte y uniforme en comparación con la polarización por la parte superior.
Polarización y Voltaje: El sustrato se ha adelgazado a 280 µm con una resistividad nominal de 3 kΩ⋅cm. Un nuevo esquema de polarización con una estructura de anillo de guarda avanzada (basada en el prototipo LF-Monopix2) permite operar con voltajes superiores a 600 V. Este alto voltaje se aplica desde la parte superior para los sensores polarizados por la parte superior y desde la parte posterior para las variantes procesadas por la parte posterior.
Arquitectura de Lectura: El sensor cuenta con una matriz de píxeles de 64x64 con un paso (pitch) de 62 µm. Emplea una arquitectura de lectura de drenaje de columna similar al ATLAS FEI3, utilizando una disposición de doble columna donde las líneas de señal analógica se separan de las líneas digitales y de blindaje para reducir la diafonía (crosstalk). La electrónica dentro del píxel incluye un amplificador sensible a la carga, un comparador con un DAC de compensación de 4 bits para el ajuste de umbral individual y una ruta de lectura totalmente digital.
Adquisición de Datos: El sistema utiliza una lectura sin disparador (triggerless) donde las direcciones de fila se serializan al final de la columna (EoC) y se combinan con las direcciones de columna para formar una dirección de píxel de 8 bits. La información de tiempo sobre umbral (time-over-threshold) se proporciona mediante flancos de subida y bajada de 8 bits. Los datos se transmiten a través de un enlace LVDS de 640 Mbit/s y se adquieren utilizando el sistema Caribou con tarjetas de mensajería FPGA (FPGA Mezzanine Cards).

Resultados Clave
Se realizaron pruebas exhaustivas en muestras sin irradiar e irradiadas para caracterizar el rendimiento:

Corriente de Fuga y Polarización: Las muestras sin irradiar exhibieron corrientes de fuga del orden de 10 nA a una tensión de deplexión de -190 V. Los sensores operaron con éxito y de forma segura a voltajes de polarización superiores a 600 V, con una corriente de fuga que aumentaba según lo esperado con la temperatura.
Eficiencia y Resolución: Las pruebas utilizando un haz de electrones de 4.2 GeV en DESY (con el telescopio Adenium) mostraron que las muestras sin irradiar alcanzaron una eficiencia superior al 99.9% con una resolución espacial de 16 µm y una resolución temporal de 10 ns. Para las muestras irradiadas a fluencias de $1 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ , las eficiencias se mantuvieron por encima del 99%.
Dependencia de la Fluencia: Se observó una degradación de la eficiencia a fluencias más altas, particularmente en las esquinas de los píxeles debido al reparto de carga (charge sharing). Los sensores irradiados hasta $3 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ mantuvieron tasas de impactos falsos aceptables, mientras que aquellos a $5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ se vieron significativamente afectados por el ruido. Los sensores polarizados por la parte posterior generalmente funcionaron mejor que los polarizados por la parte superior.
Caracterización 3D: Utilizando la Técnica de Corriente Transitoria por Absorción de Doble Fotón (TPA-TCT) con un láser de femtosegundo de 1550 nm en el CERN, se generó un mapa 3D de la recolección de carga. Esta medición visualizó claramente la electrónica del sensor en la parte superior y el borde de la región de deplexión en la parte posterior. Con una polarización de -90 V, se midió una profundidad de deplexión de 2 decía de 226 µm.

Significado y Perspectivas
El RD50-MPW4 demuestra que los sensores CMOS de alto voltaje monolíticos pueden alcanzar voltajes de ruptura superiores a 600 V, impulsando significativamente los límites de la tolerancia a la radiación para futuras aplicaciones en colisionadores. La implementación exitosa de dominios de potencia analógicos y digitales separados, combinada con la estructura avanzada del anillo de guarda, valida la capacidad del diseño para operar en entornos de alta radiación. El artículo concluye que la serie RD50-MPW representa un camino viable para detectores de píxeles de alta granularidad y temporización rápida. La futura I+D dentro de la colaboración DRD3 continuará con el proceso LFoundry de 150 nm, centrándose específicamente en el sensor RadPix para el Mighty Tracker de LHCb.

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