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

CERN RD50 협력단이 개발한 150 nm HV CMOS 센서 프로토타입인 RD50-MPW4는 $1 \times 10^{15}$ 1 MeV n $_{\mathrm{eq}}/\mathrm{cm}^2$ 까지 조사 후에도 99% 이상의 효율을 보이며 탁월한 방사선 내성을 입증하였고, 높은 공간 해상도(16 $\mu$ m)와 타이밍 해상도(10 ns)를 갖추고 있어 미래 콜라이더 검출기의 유망한 후보가 되고 있다.

원저자: 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

게시일 2026-07-22

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CC BY 4.0

원저자: 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

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

우주를 빛의 속도에 가깝게 춤추는 보이지 않는 입자들이 가득한 거대하고 혼란스러운 무도회장이라고 상상해 보십시오. 우주의 음악을 이해하기 위해 과학자들은 이 무용수들의 사진을 찍을 수 있는 카메라를 만들어야 합니다. 하지만 문제는 이 무도회장이 "방사선"이라는 일종의 우주적 정전기로 가득 차 있다는 점입니다. 이는 보통 전자제품을 전자레인지가 스마트폰을 과열시키듯 망가뜨려 버립니다. 수십 년 동안 과학자들은 방사선 폭풍 속에서도 살아남을 만큼 튼나하면서도 아주 미세한 디테일까지 포착할 수 있을 만큼 선명한 카메라 센서를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 얇고, 빠르며, 믿기지 않을 정도로 회복력이 뛰어나서, 환경이 태양 표면보다 더 가혹한 입자 가속기의 중심부에서도 생존할 수 있는 센서를 찾고 있습니다. 이 생존의 핵심은 "고전압 CMOS(High Voltage CMOS)"라고 불리는 특수한 종류의 칩입니다. 이것은 일종의 슈퍼히어로 슈트와 같습니다. 표준적인 전자 칩이지만, 고전압을 가해 손상을 쓸어버리고 신호를 깨끗하게 유지할 수 있는 깊고 보호적인 "공핍 영역(depletion zone)"을 만드는 방식으로 강화된 것입니다.

이 논문은 그 슈퍼히어로 슈트의 최신 버전인 RD50-MPW4라는 센서를 소개합니다. 유럽 전역의 과학자 팀이 제작한 이 칩은 미래의 입자 가속기를 위한 궁극의 트래커가 되도록 설계되었습니다. 연구팀은 150nm 제조 공정을 사용하여 프로토타입을 만들었으며, 그 결과 64x64 픽셀의 아주 작은 격자를 얻었습니다. 각 칸이 센서 픽셀인 미세한 체스판을 상상해 보십시오. 이 픽셀들은 인간의 머리카락 너비 정도인 62마이크로미터 간격으로 배치되어 있습니다. 여기서의 큰 혁신은 전력을 공급하는 방식입니다. 약한 배터리 대신, 이들은 600볼트 이상의 엄청난 전압을 가합니다. 이것은 마치 정원용 호스의 압력을 매우 높여서 진흙 벽을 뚫고 지나갈 수 있게 만드는 것과 같습니다. 이 경우 "진흙"은 방사선 손상입니다. 전압을 이 정도로 높임으로써, 센서는 엄청난 양의 방사선(구체적으로 1×10¹⁵ 1 MeV neq/cm²까지)을 맞아도 "공핍(depleted)" 상태(작동 준비가 된 상태)를 유지할 수 있습니다.

연구진은 실험실에서 이 칩들을 테스트했습니다. 먼저 신선한 샘플으로, 그다음에는 가속기에서의 수년 사용을 시뮬레이션하기 위해 방사선에 노출된 샘플로 테스트했습니다. 결과는 인상적이었습니다. 신선한 칩들은 99.9% 이상의 효율을 보였는데, 이는 칩에 부딪히는 거의 모든 입자를 잡아냈음을 의미하며, 입자의 위치를 16마이크로미터 이내로 정확히 짚어낼 수 있었습니다. 언급된 극단적인 수준까지 방사선을 쪼인 후에도, 칩들은 여전히 99% 이상의 입자를 잡아냈습니다. 또한 그들은 "이광자 흡수(Two-Photon Absorption)"라는 특수한 레이저 기술을 사용하여 칩 내부로 얼마나 깊게 "공핍 영역"이 형성되는지 측정했습니다. 이 레이저는 초정밀 손전등처럼 작동하여 칩 내부를 들여다보고 전기장이 얼마나 깊게 도달하는지 지도로 그려냅니다. 그들은 바이어스 전압이 -90V일 때 공핍 깊이가 226µm임을 확인했으며, 상단의 전자 장치와 하단의 활성 영역 경계면을 명확하게 볼 수 있었습니다.

RD50-MPW4의 가장 영리한 특징 중 하나는 데이터를 처리하는 방식입니다. 복잡하게 엉킨 전선 대신, 이 칩은 정보가 열을 따라 흐르고 효율적으로 분류되는 고속 조립 라인과 같은 "컬럼 드레인(column-drain)" 판독 방식을 사용합니다. 이 설계는 서로 다른 픽셀의 신호가 섞이는 문제("크로스토크")를 방지하는 데 도움을 줍니다. 또한 연구팀은 칩의 뒷면에서 고전압을 가하는 방식(후면 바이어싱)을 통해 더 강력하고 균일한 전기장을 생성함으로써, 센서를 방사선 손상에 더욱 강하게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 칩들이 매우 높은 수준의 방사선(5×10¹⁵ neq/cm²)에 노출되었을 때 일부 노이즈를 보이기도 했지만, 3×10¹⁵ neq/cm²까지는 놀라운 성능을 유지하며 "가짜 히트(fake hits, 잘못된 신호)" 발생률을 낮게 유지했습니다.

요약하자면, RD50-MPW4는 가장 가혹한 환경에서도 생존할 수 있는 입자 검출기를 만들기 위한 성공적인 진전입니다. 이는 고전압과 스마트한 설계를 사용함으로써 작으면서도 강력한 센서를 구축할 수 있음을 증명합니다. 저자들은 이 기술이 계속 발전할 것이라고 제안하며, 향후 LHCb Mighty Tracker와 같은 프로젝트에 유사한 설계를 사용할 계획이라고 밝혔습니다. 이 논문이 입자 검출의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 고전압 센서가 방사선 폭풍에 의해 시야가 가려진 상황에서도 우주의 가장 작은 비밀을 들여다볼 수 있는 매우 유망한 길임을 보여줍니다.

기술 요약: RD50-MPW4 HV CMOS 센서

문제 및 배경
미래의 고휘도 충돌기(high-luminosity colliders)는 극한의 방사선 환경을 견디면서도 우수한 시간 분해능과 높은 세밀도를 유지할 수 있는 입자 추적 및 버텍싱 검출기를 필요로 한다. 전임 CERN RD50 협력단은 이러한 요구를 해결하기 위해 방사선에 강한 반도체 소자를 개발하고 있다. 특히, 고전압(High Voltage, HV) CMOS 워킹 그룹은 전자 회로를 기판 내에 직접 통합하는 결핍형 모놀리식 능동 픽셀 센서(DMAPS)를 제작하는 것을 목표로 한다. 이전의 프로토타입들(RD50-MPW1부터 MPW3까지)은 LFoundry의 150 nm CMOS 공정을 사용하여 64x64 픽셀 매트릭스와 LVDS 판독 방식을 사용했다. 그러나 방사선 내성을 더욱 향상시키기 위해서는 항복 전압(breakdown voltage) 한계를 상당히 높여야 했으며, 이를 위해 고급 바이어싱 방식과 가드 링 구조가 필요했다.

방법론 및 설계
본 논문은 2023년 12월 LFoundry에서 150 nm CMOS 공정으로 제작된 프로토타입 센서인 RD50-MPW4를 소개한다. 이 설계에는 몇 가지 핵심적인 구조적 발전이 포함되어 있다:

센서 구조: 센서는 임베디드 판독 전자 회로를 포함하는 p-기판 내의 딥 엔-웰(deep n-well, DNWELL)을 활용한다. 딥 피-웰(deep p-well, PSUB)은 수집 전극을 차폐하여 CMOS 전자 회로가 픽셀 내에 존재할 수 있도록 한다. 세 가지 센서 변형 중 두 가지는 백사이드 프로세싱(backside-processed)을 거쳤는데, 이는 탑사이드 바이어싱(topside biasing)보다 더 강력하고 균일한 전기장을 형성하는 것으로 알려진 백사이드 바이어싱을 가능하게 하기 위함이다.
바이어싱 및 전압: 기판은 3 kΩ⋅cm의 명목 비저항을 가진 280 µm 두께로 얇게 가공되었다. LF-Monopix2 프로토타입을 기반으로 한 고급 가드 링 구조를 갖춘 새로운 바이어싱 방식은 600 V를 초과하는 동작 전압을 허용한다. 이 고전압은 탑사이드 바이어싱 센서의 경우 톱사이드에서, 백사이드 프로세싱된 변형의 경우 백사이드에서 인가된다.
판독 아키텍처: 센서는 62 µm 피치의 64x64 픽셀 매트릭스를 특징으로 한다. 이는 ATLAS FEI3와 유사한 컬럼-드레인(column-drain) 판독 아키텍처를 채택하였으며, 크로스토크를 줄이기 위해 아날로그 신호 라인을 디지털 및 차폐 라인과 분리한 더블 컬럼 레이아웃을 사용한다. 픽셀 내 전자 회로는 전하 민감 증폭기(charge-sensitive amplifier), 개별 임계값 조절을 위한 4비트 트림 DAC가 포함된 비교기, 그리고 완전 디지털 판독 경로를 포함한다.
데이터 획득: 시스템은 행 주소가 컬럼 끝(End-of-Column, EoC)에서 직렬화되어 컬럼 주소와 결но합되어 8비트 픽셀 주소를 형성하는 트리거리스(triggerless) 판독 방식을 사용한다. 타임 오버 임계값(Time-over-threshold) 정보는 8비트 리딩(leading) 및 트레일링(trailing) 에지로 제공된다. 데이터는 640 Mbit/s LVDS 링크를 통해 전송되며, FPGA 메자린 카드(FPGA Mezzanine Cards)를 갖춘 Caribou 시스템을 사용하여 획득된다.

주요 결과
미조사 및 조사된 샘플에 대해 성능을 특성화하기 위해 광범 Kind한 테스트가 수행되었다:

누설 전류 및 바이어싱: 미조사 샘플은 -190 V의 결핍 전압에서 10 nA 수준의 누설 전류를 보였다. 센서는 600 V 이상의 바이어스 전압에서도 안전하게 작동되었으며, 누설 전류는 온도에 따라 예상대로 증가하였다.
효율 및 분해능: DESY의 Adenium 텔레스코프를 이용한 4.2 GeV 전자 빔 테스트 결과, 미조사 샘플은 16 µm의 공간 분해능과 10 ns의 타이밍 분해능과 함께 99.9% 이상의 효율을 달-성했다. $1 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 의 플루언스(fluence)까지 조사된 샘플의 경우에도 효율은 99% 이상을 유지했다.
플루언스 의존성: 높은 플루언스, 특히 전하 공유(charge sharing)로 인한 픽셀 모서리 부분에서 효율 저하가 관찰되었다. 최대 $3 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 까지 조사된 센서는 수용 가능한 페이크 히트(fake hit) 비율을 유지했으나, $5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 에서는 노이즈의 영향을 크게 받았다. 백사이드 바이어싱된 센서가 일반적으로 탑사이드 바이어싱된 것보다 더 나은 성능을 보였다.
3D 특성화: CERN에서 1550 nm 펨토초 레이저를 이용한 이광자 흡수 과도 전류 기술(Two-Photon Absorption Transient Current Technique, TPA-TCT)을 사용하여 전하 수집의 3D 지도를 생성했다. 이 측정은 상단의 센서 전자 회로와 백사이드의 결핍 영역 경계를 명확하게 시각화했다. -90 V의 바이어스에서 226 µm의 결핍 깊이가 측정되었다.

의의 및 전망
RD50-MPW4는 모놀리식 HV CMOS 센서가 600 V를 초과하는 항복 전압을 달성할 수 있음을 입증하였으며, 이는 미래의 충돌기 응용 분야를 위한 방사선 내성의 한계를 크게 높였다. 별도의 아날로그 및 디지털 전원 도메인 구현과 고급 가드 링 구조의 성공적인 결합은 고방사선 환경에서 작동할 수 있는 설계 능력을 검증한다. 본 논문은 RD50-MPW 시리즈가 고세밀도, 고속 타이밍 픽셀 검출기를 위한 실행 가능한 경로임을 결론짓는다. DRD3 협력단 내의 향후 R&D는 LHCb Mighty Tracker를 위한 RadPix 센서에 초점을 맞추어 LFoundry 150 nm 공정을 지속적으로 활용할 것이다.

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