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

CERN RD50 सहयोग द्वारा विकसित एक 150 nm HV CMOS सेंसर प्रोटोटाइप, RD50-MPW4, $1 \times 10^{15}$ 1 MeV n $_{\mathrm{eq}}/\mathrm{cm}^2$ तक विकिरण के बाद 99% से अधिक दक्षता के साथ असाधारण विकिरण प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, साथ ही उच्च स्थानिक (16 $\mu$ m) और समय (10 ns) रिज़ॉल्यूशन के साथ, इसे भविष्य के कोलाइडर डिटेक्टरों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।

मूल लेखक: 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

प्रकाशित 2026-07-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: 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

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अराजक बॉलरूम के रूप में करें जहाँ अदृश्य कण प्रकाश की गति के करीब नाच रहे हैं। ब्रह्मांड के संगीत को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे कैमरे बनाने की आवश्यकता है जो इन नर्तकों की तस्वीरें खींच सकें। लेकिन यहाँ एक पेंच है: यह बॉलरूम "विकिरण" (radiation) से भरा है, जो एक प्रकार का ब्रह्मांडीय स्टैटिक है जो आमतौर पर सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स को वैसे ही नष्ट कर देता है जैसे एक माइक्रोवेव स्मार्टफोन को ओवरहीट कर देता है। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसा कैमरा सेंसर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो इस विकिरण के तूफान से बचने के लिए पर्याप्त मजबूत हो और साथ ही सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए पर्याप्त सटीक भी हो। वे एक ऐसा सेंसर खोज रहे हैं जो पतला, तेज़ और अविश्वसनीय रूप से लचीला हो, जो एक पार्टिकल कोलाइडर के केंद्र में जीवित रहने में सक्षम हो, जहाँ वातावरण सूर्य की सतह से भी अधिक कठोर है। जीवित रहने की कुंजी "हाई वोल्टेज CMOS" नामक एक विशेष प्रकार का चिप है। इसे एक सुपरहीरो सूट की तरह समझें: यह एक मानक इलेक्ट्रॉनिक चिप है, लेकिन इसे एक गहरे, सुरक्षात्मक "डिपलीशन ज़ोन" (depletion zone) को बनाने के लिए हाई वोल्टेज के साथ सुपरचार्ज किया गया है जो नुकसान को दूर भगाता है और सिग्नल को स्पष्ट रखता है, भले ही विकिरण दरवाज़े पर प्रहार कर रहा हो।

यह शोध पत्र उस सुपरहीरो सूट के नवीनतम संस्करण का परिचय देता है, एक सेंसर जिसे RD50-MPW4 कहा जाता है। यूरोप भर के वैज्ञानिकों की एक टीम द्वारा निर्मित, यह चिप भविष्य के पार्टिकल कोलाइडर्स के लिए परम ट्रैकर के रूप में डिज़ाइन किया गया है। टीम ने 150 nm की निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके एक प्रोटोटाइप बनाया, जिसके परिणामस्वरूप 64 x 64 पिक्सल का एक छोटा ग्रिड प्राप्त हुआ। एक सूक्ष्म शतरंज के बोर्ड की कल्पना करें जहाँ प्रत्येक वर्ग एक सेंसर पिक्सेल है, जो केवल 62 माइक्रोमीटर (एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर) की दूरी पर स्थित है। यहाँ मुख्य नवाचार यह है कि यह कैसे संचालित होता है: एक कमजोर बैटरी के बजाय, वे 600 वोल्ट से अधिक का भारी वोल्टेज लागू करते हैं। यह एक बगीचे के होज़ पाइप में दबाव को इतना बढ़ाने जैसा है कि वह कीचड़ की दीवार को चीर सके; इस मामले में, "कीचड़" विकिरण का नुकसान है। वोल्टेज को इतना ऊंचा बढ़ाकर, सेंसर विकिरण के एक विशाल हमले के बाद भी "डिपलीटेड" (काम करने के लिए तैयार) रह सकता है, विशेष रूप से 1×10¹⁵ 1 MeV neq/cm² के फ्लुएंस तक।

शोधकर्ताओं ने इन चिप्स का प्रयोगशाला में परीक्षण किया, पहले ताजे नमूनों के साथ और फिर उन नमूनों के साथ जिन्हें कोलाइडर के वर्षों के उपयोग का अनुकरण करने के लिए विकिरण से उड़ा दिया गया था। परिणाम प्रभावशाली थे। ताजे चिप्स 99.9% से अधिक दक्षता के साथ काम कर रहे थे, जिसका अर्थ है कि उन्होंने लगभग हर कण को पकड़ा जो उनसे टकराया, और वे एक कण के स्थान को 16 माइक्रोमीटर के भीतर सटीक रूप से पहचान सकते थे। अत्यधिक स्तरों (जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है) तक विकिरणित होने के बाद भी, चिप्स ने अभी भी 99% से अधिक कणों को पकड़ने में सफलता प्राप्त की। उन्होंने "टू-फोटॉन एब्जॉर्प्शन" नामक एक विशेष लेजर तकनीक का उपयोग करके यह भी मापा कि चिप के अंदर "डिपलीशन ज़ोन" कितना गहरा गया। यह लेजर एक सुपर-सटीक टॉर्च की तरह कार्य करता है, जिससे उन्हें चिप के अंदर देखने और यह मानचित्रण करने की अनुमति मिलती है कि विद्युत क्षेत्र कितनी गहराई तक पहुँचता है। उन्होंने पाया कि -90 V के बायस वोल्टेज पर, डिप्लीशन गहराई 226 µm थी, और वे शीर्ष पर इलेक्ट्रॉनिक्स और नीचे सक्रिय क्षेत्र के किनारे को स्पष्ट रूप से देख सकते थे।

RD50-MPW4 की सबसे चतुर विशेषताओं में से एक यह है कि यह अपने डेटा को कैसे संभालता है। तारों के उलझे हुए जाल के बजाय, यह एक "कॉलम-ड्रैन" (column-drain) रीडआउट का उपयोग करता है, जो एक हाई-स्पीड असेंबली लाइन की तरह है जहाँ सूचना कॉलम के माध्यम से प्रवाहित होती है और कुशलतापूर्वक छांटी जाती है। यह डिज़ाइन यह सुनिश्चित करने में मदद करता है कि विभिन्न पिक्सेल के सिग्नल आपस में न मिलें (एक समस्या जिसे "क्रॉस-टॉक" कहा जाता है)। टीम ने यह भी पाया कि चिप के पीछे से उच्च वोल्टेज लगाने (बैकसाइड बायसिंग) से, उन्होंने एक मजबूत, अधिक समान विद्युत क्षेत्र बनाया, जिसने सेंसर को विकिरण क्षति के प्रति और भी अधिक प्रतिरोधी बना दिया। हालाँकि अत्यधिक उच्च स्तर (5×10¹⁵ neq/cm²) के साथ टकराने पर चिप्स में कुछ शोर (noise) देखा गया, लेकिन वे 3×10¹⁵ neq/cm² तक उल्लेखनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन करते रहे, जिससे "फेक हिट्स" (गलत संकेतों) की दर कम बनी रही।

संक्षेप में, RD50-MPW4 पार्टिकल डिटेक्टरों को सबसे कठोर वातावरण में जीवित रहने के लिए बनाने की दिशा में एक सफल कदम है। यह सिद्ध करता है कि उच्च वोल्टेज और स्मार्ट डिज़ाइन का उपयोग करके, हम ऐसे सेंसर बना सकते हैं जो सूक्ष्म और मजबूत दोनों हों। लेखक सुझाव देते हैं कि यह तकनीक विकसित होती रहेगी, जिसमें भविष्य की परियोजनाओं जैसे कि LHCb Mighty Tracker के लिए समान डिजाइनों का उपयोग करने की योजना है। हालाँकि यह शोध पत्र पार्टिकल डिटेक्शन की हर समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह दिखाता है कि ये हाई-वोल्टेज सेंसर ब्रह्मांड के सबसे छोटे रहस्यों को देखने की दिशा में एक बहुत ही आशाजनक मार्ग हैं, भले ही दृश्य विकिरण के तूफान से धुंधला क्यों न हो।

तकनीकी सारांश: RD50-MPW4 HV CMOS सेंसर

समस्या और संदर्भ
भविष्य के उच्च-ल्यूमिनोसिटी वाले कोलाइडर्स को ऐसे पार्टिकल ट्रैकिंग और वर्टेक्सिंग डिटेक्टरों की आवश्यकता है जो उत्कृष्ट समय रिज़ॉल्यूशन और उच्च ग्रैनुलैरिटी बनाए रखते हुए अत्यधिक विकिरण वातावरण का सामना करने में सक्षम हों। पूर्व CERN RD50 सहयोग इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए रेडिएशन-हार्ड सेमीकंडक्टर उपकरणों को विकसित करके इस पर काम कर रहा है। विशेष रूप से, हाई वोल्टेज (HV) CMOS वर्किंग ग्रुप का लक्ष्य डिप्लीटेड मोनोलिथिक एक्टिव पिक्सेल सेंसर्स (DMAPS) बनाना है जो सीधे सेंसर सबस्ट्रेट के भीतर इलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करते हैं। पिछले प्रोटोटाइप (RD50-MPW1 से MPW3 तक) में LFoundry से 150 nm CMOS प्रोसेस का उपयोग किया गया था, जिसमें 64x64 पिक्सेल मैट्रिक्स और LVDS रीडआउट की सुविधा थी। हालांकि, रेडिएशन टॉलरेंस को और बढ़ाने के लिए, ब्रेकडाउन वोल्टेज की सीमा को काफी अधिक बढ़ाना आवश्यक था, जिसके लिए उन्नत बायसिंग स्कीम्स और गार्ड रिंग संरचनाओं की आवश्यकता थी।

कार्यप्रणाली और डिज़ाइन
यह पेपर RD50-MPW4 प्रस्तुत करता है, जो दिसंबर 2023 में LFoundry द्वारा 150 nm CMOS प्रोसेस का उपयोग करके निर्मित एक प्रोटोटाइप सेंसर है। डिज़ाइन में कई प्रमुख आर्किटेक्चरल प्रगति शामिल हैं:

सेंसर संरचना: सेंसर एक p-सबस्ट्रेट में डीप एन-वेल (DNWELL) का उपयोग करता है जिसमें एम्बेडेड रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स हैं। एक डीप पी-वेल (PSUB) कलेक्शन इलेक्ट्रोड को ढकता है, जिससे CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स पिक्सेल के भीतर रह सकते हैं। तीन सेंसर वेरिएंट्स में से दो को बैकसाइड-प्रोसेस किया गया था ताकि बैकसाइड बायसिंग को सक्षम किया जा सके, जिसे टॉपसाइड बायसिंग की तुलना में एक अधिक मजबूत और समान इलेक्ट्रिक फील्ड बनाने के लिए जाना जाता है।
बायसिंग और वोल्टेज: सबस्ट्रेट को 3 kΩ⋅cm की नाममात्र प्रतिरोधकता के साथ 280 µm तक पतला किया गया है। एक उन्नत गार्ड रिंग संरचना (जो LF-Monopix2 प्रोटोटाइप पर आधारित है) के साथ एक नई बायसिंग स्कीम 600 V से अधिक ऑपरेटिंग वोल्टेज की अनुमति देती है। यह उच्च वोल्टेज टॉपसाइड-बायस्ड सेंसर्स के लिए टॉप साइड से और बैकसाइड-प्रोसेस्ड वेरिएंट्स के लिए बैकसाइड से लगाया जाता है।
रीडआउट आर्किटेक्चर: सेंसर में 62 µm पिच के साथ 64x64 पिक्सेल मैट्रिक्स है। यह ATLAS FEI3 के समान एक कॉलम-ड्रैन रीडआउट आर्किटेक्चर का उपयोग करता है, जिसमें डबल-कॉलम लेआउट का उपयोग किया जाता है जहाँ एनालॉग सिग्नल लाइनों को क्रॉसटॉक को कम करने के लिए डिजिटल और शील्डिंग लाइनों से अलग किया जाता है। इन-पिक्सेल इलेक्ट्रॉनिक्स में एक चार्ज-सेंसिटिव एम्पलीफायर, व्यक्तिगत थ्रेशोल्ड एडजस्टमेंट के लिए 4-बिट ट्रिम DAC के साथ एक कंपैरेटर, और एक पूरी तरह से डिजिटल रीडआउट पाथ शामिल है।
डेटा अधिग्रहण (Data Acquisition): सिस्टम एक ट्रिगरलेस रीडआउट का उपयोग करता है जहाँ रो एड्रेस को एंड-ऑफ-कॉलम (EoC) पर सीरियलाइज किया जाता है और कॉलम एड्रेस के साथ मिलाकर एक 8-बिट पिक्सेल एड्रेस बनाया जाता है। टाइम-ओवर-थ्रेशोल्ड जानकारी 8-बिट लीडिंग और ट्रेलिंग एड्ज के माध्यम से प्रदान की जाती है। डेटा को 640 Mbit/s LVDS लिंक के माध्यम से ट्रांसमिट किया जाता है और FPGA मेज़ना कार्ड्स के साथ Caribou सिस्टम का उपयोग करके एक्वायर किया जाता है।

मुख्य परिणाम
अनइरेडिएटेड (unirradiated) और इरेडिएटेड (irradiated) सैंपल्स के प्रदर्शन को कैरेक्टराइज करने के लिए व्यापक परीक्षण किए गए:

लीकेज करंट और बायसिंग: अनइरेडिएटेड सैंपल्स ने -190 V के डिप्लीशन वोल्टेज पर 10 nA के क्रम में लीकेज करंट प्रदर्शित किया। सेंसर्स को 600 V से अधिक के बायस वोल्टेज पर सफलतापूर्वक सुरक्षित रूप से संचालित किया गया था, जिसमें लीकेज करंट तापमान के साथ अपेक्षित रूप से बढ़ता है।
एफिशिएंसी और रिज़ॉल्यूशन: DESY (Adenium टेलीस्कोप के साथ) में 4.2 GeV इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके किए गए परीक्षणों ने दिखाया कि अनइरेडिएटेड सैंपल्स ने 16 µm के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और 10 ns के टाइमिंग रिज़ॉल्यूशन के साथ 99.9% से अधिक की एफिशिएंसी हासिल की। $1 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ के फ्लुएंस तक इरेडिएटेड सैंपल्स के लिए भी एफिशिएंसी 99% से ऊपर बनी रही।
फ्लुएंस डिपेंडेंस: उच्च फ्लुएंस पर, विशेष रूप से चार्ज शेयरिंग के कारण पिक्सेल कॉर्नर्स में एफिशिएंसी में गिरावट देखी गई। $3 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ तक इरेडिएटेड सेंसर्स ने स्वीकार्य फेक हिट रेट बनाए रखा, जबकि $5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ वाले सेंसर्स शोर (noise) से काफी प्रभावित थे। बैकसाइड-बायस्ड सेंसर्स ने आम तौर पर टॉपसाइड-बायस्ड सेंसर्स की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया।
3D कैरेक्टराइजेशन: CERN में 1550 nm फेम्टोसेकंड लेजर के साथ टू-फोटोन एब्जॉर्प्शन ट्रांजिएंट करंट टेक्निक (TPA-TCT) का उपयोग करके, चार्ज कलेक्शन का एक 3D मैप तैयार किया गया। इस माप ने स्पष्ट रूप से टॉप पर सेंसर के इलेक्ट्रॉनिक्स और बैकसाइड पर डिप्लीशन रीजन के किनारे को विज़ुअलाइज़ किया। -90 V के बायस पर, 226 µm की डिप्लीशन डेप्थ मापी गई।

महत्व और भविष्य की राह
RD50-MPW4 यह प्रदर्शित करता है कि मोनोलिथिक HV CMOS सेंसर्स 600 V से अधिक के ब्रेकडाउन वोल्टेज प्राप्त कर सकते हैं, जो भविष्य के कोलाइडर अनुप्रयोगों के लिए रेडिएशन टॉलरेंस की सीमाओं को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाता है। अलग-अलग एनालॉग और डिजिटल पावर डोमेन के सफल कार्यान्वयन ने, उन्नत गार्ड रिंग संरचना के साथ मिलकर, उच्च-विकिरण वातावरण में संचालित होने की डिज़ाइन की क्षमता को प्रमाणित किया है। यह पेपर निष्कर्ष निकालता है कि RD50-MPW सीरीज़ उच्च-ग्रैनुलैरिटी, फास्ट-टाइमिंग पिक्सेल डिटेक्टरों के लिए एक व्यवहार्य मार्ग का प्रतिनिधित्व करती है। DRD3 सहयोग के भीतर भविष्य का R&D LFoundry 150 nm प्रोसेस के साथ जारी रहेगा, जो विशेष रूप से LHCb माइटी ट्रैकर के लिए RadPix सेंसर पर केंद्रित होगा।

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