Influence of Radiation and AC Coupling on Time Performance of Analog Pixels Test Structures in 65 nm CMOS technology

该研究通过束流测试评估了 TPSCo 65 nm CMOS 工艺中直流与交流耦合模拟像素测试结构在辐射环境下的性能，证实了两者均具备高探测效率与优异的时间分辨率，验证了其在未来高辐射耐受性对撞机探测器中的应用潜力。

要点

这篇论文讲述了一项关于下一代粒子探测器的有趣研究。为了让你更容易理解，我们可以把这项技术想象成是在制造一种超级灵敏的“粒子相机”，用来捕捉宇宙中高速飞行的微小粒子。

以下是用通俗语言和生动比喻对这篇论文核心内容的解读：

1. 背景：为什么要造这种“相机”？

想象一下，科学家们在大型强子对撞机（LHC）里进行实验，就像在暴风雨中试图看清每一滴雨水的轨迹。现在的粒子撞得越来越快，数据量越来越大，普通的“相机”（探测器）要么太慢，要么太笨重（材料太多会挡住视线）。

因此，科学家需要一种更薄、更快、更耐造的传感器。他们选择了一种叫**单片有源像素传感器（MAPS）**的技术，这就像把相机的镜头（感应粒子）和芯片（处理信号）直接融合在同一个硅片上，既轻薄又高效。

2. 核心实验：测试两种“连接方式”

研究人员在 65 纳米的先进工艺下制造了这种传感器原型（叫 APTS-OA），并测试了两种不同的“接线”方式，看看哪种在恶劣环境下表现更好：

• 方式 A：直流耦合（DC-coupled）——“直接握手”

  • 比喻：就像两个人直接手拉手说话。信号从传感器直接传给处理电路，没有中间商。
  • 优点：信号传输快，噪音小，反应非常灵敏。
  • 缺点：因为直接连着，电压不能加得太高，否则电路会“短路”或损坏。就像两个人手拉手，如果一方用力过猛，手可能会受伤。

• 方式 B：交流耦合（AC-coupled）——“隔空传音”

  • 比喻：就像两个人中间隔着一层玻璃（电容）说话。信号通过这层玻璃“感应”过去，而不是直接接触。
  • 优点：因为隔开了，可以施加非常高的电压（就像隔着玻璃大声喊，不怕震坏嗓子）。高电压能让传感器在受到辐射损伤后依然工作得很好。
  • 缺点：隔着玻璃传音，声音会变小（信号幅度降低），而且容易受到外界干扰（噪音变大）。

3. 残酷的考验：辐射“桑拿房”

为了测试这些传感器是否能在未来高能物理实验中生存，研究人员把它们送进了“辐射桑拿房”（用中子轰击），模拟宇宙射线或粒子对撞产生的极端辐射环境。

• 测试强度：有的传感器被轰击了 $10^{14}$次，有的甚至高达$10^{15}$ 次（相当于每平方米被无数个小子弹击中）。
• 结果：
  • 直流耦合版：非常顽强！即使被轰击了那么多次，它依然能保持99% 以上的探测效率，并且计时精度极高（误差小于 70 皮秒，也就是 0.00000000007 秒）。这就像是一个在暴风雨中依然能精准报时的老钟表。
  • 交流耦合版：虽然信号因为“隔玻璃”变小了，导致噪音稍大，但它有一个绝招——可以承受更高的电压。当研究人员给它施加高电压时，它也能达到和直流版一样快的速度。

4. 关键发现：取长补短

研究中最有趣的发现是：

• 辐射的副作用：辐射会让传感器内部产生一些“陷阱”，抓住电荷，导致信号变慢或丢失。这就像在跑道上设置了路障。
• 意外的惊喜：对于直流耦合的传感器，辐射反而“帮了倒忙”——它把那些跑得慢的电荷（路障上的）都过滤掉了，留下的都是跑得最快的。所以，在适度辐射下，它的计时精度甚至没有变差，反而因为去除了“慢动作”而变得更清晰。
• 未来的方向：科学家发现，如果把直流耦合的低噪音优势和交流耦合的高电压耐受能力结合起来，就能造出一种既快又准，还能在极端辐射下生存的完美传感器。

5. 总结：这对我们意味着什么？

这项研究证明了，使用这种先进的 65 纳米 CMOS 技术制造的传感器，是未来粒子物理实验（如 ALICE 升级项目）的最佳候选者。

一句话总结：
科学家成功测试了一种新型“粒子相机”，发现它既能在辐射极强的环境中“百毒不侵”，又能以惊人的速度（皮秒级）捕捉粒子轨迹。通过巧妙设计“直接连接”和“隔空连接”两种方式，他们找到了未来制造更强大、更精准探测器的钥匙。这将帮助人类更深入地探索宇宙的起源和奥秘。

技术摘要

这是一份关于在 65 nm CMOS 工艺下，辐射和 AC 耦合对模拟像素测试结构（APTS）时间性能影响的详细技术总结。

1. 研究背景与问题 (Problem)

• 背景：高能物理实验（如 ALICE 的 ITS3 升级）需要下一代追踪系统，这些系统必须具备高辐射硬度、精确的顶点重建能力以及低材料预算。单片有源像素传感器（MAPS）因其细粒度分割、低功耗和传感器与读出电路集成在同一硅片上的优势，成为理想选择。
• 核心问题：
  1. 辐射耐受性：在极端辐射环境下（如 $10^{15} \text{ 1 MeV neq/cm}^2$），MAPS 的时间分辨率和电荷收集效率是否会退化？
  2. 耦合方式的影响：传统的直流（DC）耦合受限于偏置电压（通常<6V），而交流（AC）耦合允许更高的反向偏置电压以增强电场，但引入了耦合电容，可能降低信号幅度并增加噪声。需要评估这两种耦合方案在辐射后的性能差异及时间分辨率的权衡。
  3. 时间性能优化：如何在高辐射通量下保持亚 100 ps 的时间分辨率，并理解辐射损伤对信号时间抖动（Jitter）和时间游走（Time Walk）的具体影响。

2. 方法论 (Methodology)

• 器件设计 (APTS-OA)：
  • 基于 TPSCo 65 nm CMOS 成像工艺制造。
  • 包含 $4 \times 4$的$10 \mu m$ 像素矩阵，采用“带间隙（modified with gap）”工艺，利用深 N 型注入和间隙产生横向电场以加速电荷收集。
  • 两种耦合变体：
    • DC 耦合：传感器直接连接到前端输入，偏置电压受限（最大约 4.8 V 衬底偏置），但输入电容小。
    • AC 耦合：通过金属 - 金属电容（约 7.9 fF）隔离传感器和前端，允许更高的反向偏置（测试至 18 V），但增加了输入节点电容。
  • 读出电路：每个像素配备源极跟随器缓冲，驱动矩阵边缘的高速运算放大器（Op-Amp），输出带宽达 1.9 GHz。
• 辐射测试：
  • 在 JSI 卢布尔雅那进行非电离能量损失（NIEL）中子辐照。
  • 辐照通量：$10^{14}$和$10^{15} \text{ 1 MeV neq/cm}^2$。
• 束流测试 (Test Beam)：
  • 地点：CERN-SPS H6 设施，使用 120 GeV/c 正强子束。
  • 装置：六层望远镜系统。DUT（待测器件）为 APTS-OA，参考平面包括 ALPIDE 传感器、触发平面（APTS-SF）和时间参考平面（LGAD，分辨率 23 ps）。
  • 数据采集：使用 40 GS/s 示波器读取模拟波形，结合 Corryvreckan 软件框架进行轨迹重建和聚类分析。
• 数据分析：
  • 通过 X 射线（$^{55}\text{Fe}$）校准将电压转换为电荷（电子数）。
  • 时间分辨率计算：基于 10% 幅度时刻（DUT）与 40% 幅度时刻（LGAD）的差值，扣除 LGAD 本底分辨率。
  • 应用了时间游走（Time Walk）修正，基于信号幅度和聚类大小进行二次插值校正。

3. 主要贡献 (Key Contributions)

• 高辐射下的性能验证：首次详细评估了 65 nm MAPS 在 $10^{15} \text{ 1 MeV neq/cm}^2$ 通量下的时间性能，证明了其极高的辐射硬度。
• AC 耦合方案的可行性分析：系统比较了 DC 和 AC 耦合在辐射环境下的表现，揭示了 AC 耦合虽然牺牲了信噪比（SNR），但通过高偏置电压补偿了时间性能。
• 时间游走机制的深入理解：通过像素内径向选择分析，阐明了辐射诱导的电荷复合如何抑制边缘慢漂移载流子，从而意外地改善了非辐照器件在边缘区域的时间分辨率退化问题。
• 混合架构的潜力：提出了结合 DC 耦合的低电容优势与 AC 耦合的高偏置能力的混合设计思路，以进一步优化时间分辨率。

4. 关键结果 (Key Results)

• 噪声特性：
  • 辐照后，由于传感器电容降低（抵消了漏电流增加的影响），DC 耦合传感器的总噪声水平反而下降。
  • AC 耦合传感器由于耦合电容引入了额外的寄生负载，噪声 RMS 高于 DC 耦合，导致信噪比降低。
• 探测效率 (Detection Efficiency)：
  • DC 耦合：在 $10^{15} \text{ 1 MeV neq/cm}^2$辐照下，在 -4.8 V 衬底偏置和 100$e^-$ 阈值下，探测效率仍保持 >99%。
  • AC 耦合：在 150 $e^-$ 阈值以下，效率同样 >99%，显示出宽泛的工作裕度。
• 时间分辨率 (Time Resolution)：
  • DC 耦合（辐照后）：
    • $10^{14} \text{ neq/cm}^2$：$(62.4 \pm 1.0)$ps，与未辐照器件$(62.7 \pm 1.6)$ ps 相当。
    • $10^{15} \text{ neq/cm}^2$：$(68.6 \pm 1.0)$ ps，性能下降约 10%。
  • AC 耦合：
    • 随着反向偏置电压从 4.8 V 增加到 18 V，时间分辨率逐步改善。
    • 在 18 V 偏置下，时间分辨率达到 $(67.2 \pm 3.6)$ ps，与 DC 耦合器件在 -4.8 V 下的性能相当（在两倍不确定度范围内）。
  • 时间游走修正：应用基于聚类大小的修正后，显著减少了时间残差的不对称性，特别是在低偏置电压下。
• 辐射损伤机制：辐射引入了陷阱中心，导致电荷捕获和复合。这虽然降低了总电荷收集（MPV 下降），但也抑制了来自像素边缘的慢漂移载流子，从而减少了长尾分布，使得在修正后时间分辨率并未像预期那样严重恶化。

5. 意义与结论 (Significance)

• 技术验证：该研究证实了 TPSCo 65 nm CMOS 工艺制造的 MAPS 非常适合未来高亮度对撞机（如 HL-LHC 的 ALICE ITS3）的顶点探测器和定时探测器。
• 设计指导：
  • DC 耦合在低偏置下具有优异的信噪比和时间性能，且辐射耐受性极强。
  • AC 耦合通过允许更高的偏置电压，有效补偿了信号幅度的损失，证明了其在高辐射环境下的 viability（可行性）。
• 未来方向：研究建议未来的传感器设计应尝试结合 DC 耦合的低输入电容（低噪声/低抖动）和 AC 耦合的高偏置能力（强电场/快收集），以实现亚 50 ps 甚至更优的时间分辨率，满足下一代物理实验的极端需求。

总结：该论文通过详尽的束流测试和辐射实验，确立了 65 nm MAPS 作为下一代高能物理探测器的核心地位，并量化了不同耦合策略在极端辐射环境下的性能边界，为未来的传感器优化提供了关键数据支持。