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

CERNのRD50コラボレーションによって開発された150 nm HV CMOSセンサのプロトタイプであるRD50-MPW4は、 $1 \times 10^{15}$ 1 MeV n $_{\mathrm{eq}}/\mathrm{cm}^2$ までの照射後も99%を超える効率を維持するという並外れた放射線耐性を示しており、高い空間分解能（16 $\mu$ m）およびタイミング分解能（10 ns）を併せ持つことから、将来の衝突型加速器検出器の有望な候補となっている。

原著者： 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

公開日 2026-07-22

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CC BY 4.0

原著者： 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

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

宇宙を、目に見えない粒子が光速に近い速度で踊っている、巨大で混沌としたダンスホールだと想像してみてください。宇宙の音楽を理解するために、科学者たちはこれらのダンサーたちの写真を撮ることができるカメラを作る必要があります。しかし、問題があります。そのダンスホールは「放射線」という、電子機器をマイクロ波がスマートフォンをオーバーヒートさせるかのように焼き尽くしてしまう、一種の宇宙的な静電気で満たされているのです。何十年もの間、科学者たちは、放射線の嵐を生き抜くのに十分なほどタフでありながら、極めて微細な詳細をも捉えられるほど鋭いカメラセンサーを作ろうと試みてきました。彼らが求めているのは、太陽の表面よりも過酷な環境である粒子加速器の中心部でも生き残れる、薄くて速く、そして驚異的に弾力性のあるセンサーです。この生存の鍵は、「高電圧CMOS」と呼ばれる特殊なタイプのチップです。これは、標準的な電子チップですが、高電圧でスーパーチャージ（強化）することで、ダメージを掃き出し、信号をクリアに保つための深い「空乏層」を作り出しています。これは、まるでスーパーヒーローのスーツのようなものです。

この論文は、そのスーパーヒーローのスーツの最新バージョンである、RD50-MPW4と呼ばれるセンサーを紹介しています。ヨーロッパ全土の科学者チームによって構築されたこのチップは、将来の粒子加速器のための究極のトラッカーとなるよう設計されています。チームは150 nmの製造プロセスを用いてプロトタイプを作成し、その結果、64×64ピクセルの極小のグリッドが誕生しました。マイクロスコピックなチェス盤を想像してください。各マスはセンサーのピクセルであり、それらはわずか62マイクロメートル（人間の髪の毛の幅ほど）の間隔で配置されています。ここでの大きな革新は、その電力供給方法にあります。弱いバッテリーを使う代わりに、600ボルトを超える膨大な電圧を印加します。これは、庭のホースの圧力を非常に高くして、泥の壁を突き破るように水を噴射するようなものです。この場合、「泥」とは放射線によるダメージのことです。電圧をこれほど高く押し上げることで、センサーは膨大な量の放射線（具体的には1×10¹⁵ 1 MeV neq/cm²のフルエンス）に bombardment（爆撃）を受けた後でも、「空乏化」（動作準備が整った状態）を維持することができます。

研究者たちはラボでこれらのチップをテストしました。まず新鮮なサンプルを用い、次に加速器での数年間の使用をシミュレートするために放射線を浴びせたサンプルを用いました。結果は素晴らしいものでした。新鮮なチップは99.9%以上の効率で作動し、つまり、当たったほぼすべての粒子を捉え、粒子の位置を16マイクロメートルの精度で特定できました。上述の極限レベルまで照射された後でも、チップは依然として99%以上の粒子を捉えることができました。彼らはまた、「二光子吸収」と呼ばれる特殊なレーザー技術を使用して、チップ内部の「空乏層」がどの程度の深さまで達しているかを測定しました。このレーザーは超精密な懐中電灯のように機能し、チップの内部を見通し、電界がどこまで深く到達するかを正確にマッピングすることを可能にします。彼らは、バイアス電圧が-90 Vのとき、空乏層の深さが226 µmであることを発見し、チップ上部の電子部品と下部の活性領域の端を明確に確認できました。

RD50-MPW4の最も巧妙な機能の一つは、データの処理方法です。乱雑なワイヤーの束の代わりに、情報は列に沿って流れ、効率的に整理される「カラムドレイン（列排水）」読み出し方式を採用しています。これは、情報の高速組立ラインのようなもので、異なるピクセルからの信号が混ざり合うこと（「クロストーク」と呼ばれる問題）を防ぐのに役立ちます。また、チームは、チップの背面から高電圧を印加する（背面バイアス）ことで、より強力で均一な電界を作り出し、センサーを放射線ダメージに対してさらに耐性を持たせられることを見出しました。チップは非常に高いレベルの放射線（5×10¹⁵ neq/cm²）を受けた際にいくらかのノイズを示しましたが、3×10¹⁵ neq/cm²までは極めて良好に動作し、「偽のヒット（誤信号）」の発生率を低く維持しました。

要約すると、RD50-MPW4は、最も過酷な環境で生き残る粒子検出器を作るための、成功した一歩です。高電圧とスマートな設計を用いることで、小さく、かつタフなセンサーを作れることを証明しました。著者らは、この技術は進化し続けると考えており、LHCb Mighty Trackerのような将来のプロジェクトに向けて同様のデザインを使用する計画を持っています。この論文は、粒子検出におけるすべての問題を解決したと主張しているわけではありませんが、高電圧センサーが、放射線の嵐によって視界が遮られている状況下でも、宇宙の最小の秘密を見通すための非常に有望な道であることを示しています。

技術要約：RD50-MPW4 HV CMOS センサ

問題と背景
将来の高輝度衝突型加速器には、極限の放射線環境に耐えつつ、優れた時間分解能と高いグラニュラリティ（粒度）を維持できる粒子飛跡検出器および頂点検出器が必要である。CERNのRD50コラボレーションは、このニーズに応えるため、放射線硬化型の半導体デバイスの開発に取り組んでいる。具体的には、高電圧（HV）CMOS ワーキンググループは、電子回路をセンサ基板内に直接統合した Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) の開発を目指している。以前のプロトタイプ（RD50-MPW1 から MPW3）は、LFoundry 製の 150 nm CMOS プロセスを使用し、64x64 ピクセル行列と LVDS 読み出しを備えていた。しかし、放射線耐性をさらに向上させるためには、ブレークダウン電圧の限界を大幅に押し上げる必要があり、そのためには高度なバイアススキームとガードリング構造が必要であった。

手法と設計
本論文では、2023年12月に LFound Foundry 社の 150 nm CMOS プロセスを用いて製造されたプロトタイプセンサ、RD50-MPW4 について述べる。設計にはいくつかの主要なアーキテクチャ上の進歩が含まれている。

センサ構造： センサは、埋め込み型読み出し電子回路を備えた p 基板内のディープ n ウェル（DNWELL）を利用している。ディープ p ウェル（PSUB）が電極をシールドし、これにより CMOS 電子回路をピクセル内に配置することを可能にしている。3 つのセンサバリアントのうち 2 つは、裏面バイアスを可能にするために背面プロセスが施されている。背面バイアスは、トップサイドバイアスと比較して、より強力で均一な電場を生成することが知られている。
バイアスと電圧： 基板は 280 µm まで薄層化されており、公称抵抗率は 3 kΩ⋅cm である。LF-Monopix2 プロトタイプに基づいた高度なガードリング構造を持つ新しいバイアススキームにより、600 V を超える動作電圧が可能となった。この高電圧は、トップサイドバイアス型センサの場合は上面から、背面プロセス型バリアントの場合は背面から印加される。
読み出しアーキテクチャ： センサは 62 µm ピッチの 64x64 ピクセル行列を備えている。ATLAS FEI3 と同様の、アナログ信号線をデジタルおよびシールド線から分離してクロストークを低減するダブルカラムレイアウトを用いた、カラムドレイン読み出しアーキテクチャを採用している。インピクセル電子回路には、電荷敏感増幅器、個別の閾値調整用の 4 ビット・トリム DAC を備えたコンパレータ、および完全デジタル読み出しパスが含まれる。
データ収集： システムは、行アドレスがエンドオブカラム（EoC）でシリアル化され、列アドレスと組み合わされて 8 ビットのピクセルアドレスを形成する、トリガーレス読み出しを使用する。Time-over-threshold 情報は、8 ビットのリーディングエッジおよびトレイリングエッジを介して提供される。データは 640 Mbit/s の LVDS リンクを介して送信され、FPGA メザニンカードを備えた Caribou システムを使用して取得される。

主な結果
未照射および照射サンプルに対して、性能を特性評価するための広範なテストが行われた。

リーク電流とバイアス： 未照射サンプルは、空乏電圧 -190 V において 10 nA オーダーのリーク電流を示した。センサは 600 V を超えるバイアス電圧でも安全に動作することに成功し、リーク電流は温度とともに予想通り増加した。
効率と分解能： DESY の Adenium テレスコープを用いた 4.2 GeV 電子ビームによるテストでは、未照射サンプルは 16 µm の空間分解能と 10 ns の時間分解能で 99.9% 以上の効率を達成した。 $1 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ のフルエンスまで照射されたサンプルにおいても、効率は 99% 以上を維持した。
フルエンス依存性： 高フルエンス、特に電荷共有が発生するピクセルのコーナーにおいて、効率の低下が観察された。 $3 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ まで照射されたセンサは許容可能なフェイクヒット率を維持したが、 $5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ の場合はノイズの影響を大きく受けた。背面バイアス型センサは、一般にトップサイドバイアス型よりも優れた性能を示した。
3D 特性評価： CERN における 1550 nm フェムト秒レーザーを用いた二光子吸収過渡電流技術（TPA-TCT）を使用し、電荷収集の 3D マップを作成した。この測定により、上部の電子回路と背面の空乏領域のエッジが明確に可視化された。バイアス -90 V において、226 µm の空乏深さが測定された。

意義と展望
RD50-MPW4 は、モノリシック HV CMOS センサが 600 V を超えるブレークダウン電圧を達成できることを実証しており、これは将来の衝突型加速器アプリケーションに対する放射線耐性の限界を大幅に押し上げるものである。分離されたアナログおよびデジタル電源ドメインの実装と、高度なガードリング構造の組み合わせは、高放射線環境で作動する設計の能力を検証している。本論文は、RD50-MPW シリーズが高粒度かつ高速なタイミングを備えたピクセル検出器への実行可能な経路であることを結論付けている。今後の R&D は、DRD3 コラボレーション内で、特に LHCb Mighty Tracker 用の RadPix センサに焦点を当てて、LFoundry 150 nm プロセスを用いて継続される。

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