🔬 physics

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

由 CERN RD50 合作组开发的 150 nm 高压 CMOS 传感器原型 RD50-MPW4，在经受 $1 \times 10^{15}$ 1 MeV n $_{\mathrm{eq}}/\mathrm{cm}^2$ 辐照后仍表现出超过 99% 的效率，展现了卓越的抗辐射性能，并具备高空间分辨率（16 $\mu$ m）和高时间分辨率（10 ns），使其成为未来对撞机探测器的有力候选方案。

原作者： 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

发布于 2026-07-22

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

CC BY 4.0

原作者： 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

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙是一个巨大的、混乱的舞池，无数隐形的粒子正以接近光速的速度翩翩起舞。为了理解宇宙的旋律，科学家们需要制造出能够捕捉这些舞者瞬间影像的相机。但问题在于：这个舞池中充满了“辐射”，这是一种宇宙级的静电噪声，通常会像过热的微波炉破坏智能手机一样，摧毁精密的电子设备。几十年来，科学家们一直试图制造一种足够坚韧的相机传感器，既能在这场辐射风暴中幸存，又能保持捕捉微小细节的锐利度。他们正在寻找一种轻薄、快速且具有极强韧性的传感器，能够胜任粒子对撞机核心区域的工作，那里的环境比太阳表面还要恶劣。这种生存的关键在于一种被称为“高压 CMOS”的特殊芯片。你可以把它想象成一套超级英雄战衣：它本质上是一块标准的电子芯片，但通过施加高电压被“超载”增强，从而创造出一个深层的、具有保护作用的“耗尽区”，这个区域可以扫除损伤并保持信号清晰，即使在辐射猛烈冲击大门时也是如此。

这篇论文介绍了那套超级英雄战衣的最新版本——名为 RD50-MPW4 的传感器。该芯片由一支来自欧洲各地的科学家团队打造，旨在成为未来粒子对撞机的终极追踪器。团队使用 150 nm 的制造工艺制作了一个原型，形成了一个 64 x 64 像素的微型网格。想象一下一个微观的棋盘，每个方格都是一个传感器像素，间距仅为 62 微米（大约是一根人类头发的宽度）。这项创新的关键在于其供电方式：他们没有使用微弱的电池，而是施加了超过 600 伏特的巨大电压。这就像是把花园水管的压力调到极高，高到足以冲破一面泥墙；在这种情况下，“泥墙”就是辐射损伤。通过将电压推向如此高的水平，传感器即使在受到极高剂量辐射（具体为 1×10¹⁵ 1 MeV neq/cm²）的轰击后，仍能保持“耗尽”状态（即随时待命工作）。

研究人员在实验室中对这些芯片进行了测试，首先是针对新鲜样本，随后是针对经过辐射轰击以模拟对撞机多年使用的样本。结果令人印象深刻。新鲜芯片的工作效率超过 99.9%，这意味着它们几乎捕捉到了每一个撞击它们的粒子，并且可以将粒子的位置精确到 16 微米以内。即使在上述极端辐射水平下，芯片仍能捕捉到超过 99% 的粒子。他们还利用一种称为“双光子吸收”的特殊激光技术，测量了芯片内部“耗尽区”的深度。这种激光就像一把超精密的强光手电筒，让研究人员能够观察芯片内部，并绘制出电场延伸的具体深度。他们发现，在 -90 V 的偏置电压下，耗尽深度为 226 µm，并且可以清晰地看到顶部的电子器件以及底部活动区域的边缘。

RD50-MPW4 最巧妙的特性之一在于它如何处理数据。它没有使用杂乱交织的导线，而是采用了“列驱动（column-drain）”读出方式，这就像一条高速流水线，信息沿着列向下流动并得到高效分类。这种设计有助于防止不同像素之间的信号发生混淆（即所谓的“串扰”问题）。团队还发现，通过从芯片背面施加高电压（背面偏置），他们创造了一个更强、更均匀的电场，使传感器对辐射损伤的抵抗力更强。虽然在受到极高水平辐射（5×10¹⁵ neq/cm²）冲击时，芯片表现出了一些噪声，但在达到 3×10¹⁵ neq/cm² 之前，它们的表现非常出色，保持了极低的“假信号”率。

简而言之，RD50-MPW4 是在制造能够生存于最严酷物理环境中的粒子探测器方面迈出的成功一步。它证明了通过使用高电压和智能设计，我们可以制造出既微小又强韧的传感器。作者指出，这项技术将继续演进，计划将类似的设计用于 LHCb Mighty Tracker 等未来项目。虽然这篇论文并未声称已经解决了粒子探测中的所有问题，但它表明这些高压传感器是一个非常有前景的方向，让我们能够窥见宇宙最微小的奥秘，即便视线正被辐射风暴所遮蔽。

技术摘要：RD50-MPW4 高压 CMOS 传感器

问题与背景
未来的高亮度对撞机需要能够承受极端辐射环境，同时保持卓越的时间分辨率和高粒度能力的粒子追踪与顶点探测器。前 CERN RD50 合作组旨在通过开发抗辐射半导体器件来解决这一需求。具体而言，高压（HV）CMOS 工作组旨在开发掺杂单片主动像素传感器（DMAPS），将电子器件直接集成到传感器衬底中。之前的原型器件（RD50-MPW1 至 MPW3）采用了 LFoundry 的 150 nm CMOS 工艺，具有 64x64 像素矩阵和 LVDS 读取功能。然而，为了进一步增强抗辐射能力，需要显著提高击穿电压限制，这需要先进的偏置方案和保护环结构。

方法与设计
本文介绍了 RD50-MPW4，这是一款由 LFoundry 于 2023 年 12 月采用 150 nm CMOS 工艺生产的原型传感器。该设计结合了几个关键的架构进步：

传感器结构： 传感器在 p 型衬底中使用深 n 阱（DNWELL），并嵌入了读取电子器件。深 p 阱（PSUB）屏蔽了收集电极，允许 CMOS 电子器件驻留在像素内。三种传感器变体中有两种经过了背面处理，以实现背面偏置，已知与顶面偏置相比，背面偏置能产生更强、更均匀的电场。
偏置与电压： 衬底被减薄至 280 µm，标称电阻率为 3 kΩ⋅cm。一种基于 LF-Monopix2 原型的新型偏置方案和先进保护环结构，允许工作电压超过 600 V。对于顶面偏置传感器，该高压从顶侧施加；对于背面处理过的变体，则从背面施加。
读取架构： 传感器具有 64x64 像素矩阵，像素间距为 62 µm。它采用了类似于 ATLAS FEI3 的列驱动（column-drain）读取架构，利用双列布局将模拟信号线与数字及屏蔽线分离，以减少串扰。像素内电子器件包括一个电荷敏感放大器、一个带有 4 位修整 DAC（用于单个阈值调整）的比较器，以及一条全数字读取路径。
数据采集： 系统使用无触发（triggerless）读取方式，行地址在列末端（EoC）进行串行化，并与列地址结合形成 8 位像素地址。时间-阈值（Time-over-threshold）信息通过 8 位前沿和后沿提供。数据通过 640 Mbit/s 的 LVDS 链路传输，并使用带有 FPGA Mezzanine 卡的 Caribou 系统进行采集。

关键结果
通过对未辐照和辐照样本进行广泛测试，以表征其性能：

漏电流与偏置： 在 -190 V 的耗尽电压下，未辐照样本的漏电流在 10 nA 量级。传感器成功地在超过 600 V 的偏置电压下安全运行，漏电流随温度升高而如预期增加。
效率与分辨率： 使用 DESY 的 4.2 GeV 电子束（通过 Adenium 望远镜）进行的测试表明，未辐照样本实现了超过 99.9% 的效率，空间分辨率为 16 µm，时间分辨率为 10 ns。对于辐照剂量达到 $1 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 的样本，效率仍保持在 99% 以上。
剂量依赖性： 在高剂量下观察到效率下降，特别是在由于电荷共享导致的像素角部区域。辐照至 $3 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 的传感器保持了可接受的伪命中率，而达到 $5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$ 的传感器受噪声影响显著。背面偏置传感器通常比顶面偏置传感器的表现更好。
3D 表征： 使用 CERN 的 1550 nm 飞秒激光器通过双光子吸收瞬态电流技术（TPA-TCT）生成了电荷收集的 3D 图谱。该测量清晰地可视化了顶部的传感器电子器件以及背面的耗尽区边缘。在 -90 V 的偏置下，测得耗尽深度为 226 µm。

意义与展望
RD50-MPW4 证明了单片高压 CMOS 传感器可以实现超过 600 V 的击穿电压，显著推高了未来对撞机应用对抗辐射能力的要求极限。独立模拟和数字电源域的成功实施，结合先进的保护环结构，验证了该设计在高辐射环境下工作的能力。论文结论指出，RD50-MPW 系列是实现高粒度、快速定时像素探测器的可行路径。DRD3 协作组内的未来研发将继续使用 LFoundry 150 nm 工艺，特别是针对 LHCb Mighty Tracker 的 RadPix 传感器。

技术摘要：RD50-MPW4 高压 CMOS 传感器

类似论文